Tối ưu hóa cánh tuabin dẫn động cho máy phát điện phục vụ khu vực vùng núi tỉnh khánh hòa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

MAI NGUYỄN TRẦN THÀNH

TỐI ƯU HÓA CÁNH TUABIN DẪN ĐỘNG CHO MÁY PHÁT
ĐIỆN PHỤC VỤ KHU VỰC VÙNG NÚI TỈNH KHÁNH HÒA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHÁNH HÒA – 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

MAI NGUYỄN TRẦN THÀNH

TỐI ƯU HÓA CÁNH TUABIN DẪN ĐỘNG CHO MÁY PHÁT
ĐIỆN PHỤC VỤ KHU VỰC VÙNG NÚI TỈNH KHÁNH HÒA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngành:

Kỹ thuật cơ khí

Mã số:

60520103

Quyết định giao đề tài:

938/QĐ-ĐHNT ngày 26/9/2014

Quyết định thành lập HĐ:
Ngày bảo vệ:
Người hướng dẫn khoa học:
TS. ĐẶNG XUÂN PHƯƠNG
Chủ tịch Hội đồng:

Khoa sau đại học:

KHÁNH HÒA - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài: “Tối ưu hóa cánh tuabin dẫn động
cho máy phát điện phục vụ khu vực vùng núi tỉnh Khánh Hòa” là công trình nghiên
cứu của cá nhân tôi và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào
khác cho tới thời điểm này.
Khánh Hòa, ngày 17 tháng 10 năm 2015
Tác giả luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Mai Nguyễn Trần Thành

i


LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của quý phòng
ban trường Đại học Nha Trang, nhất là Khoa Sau đại học, Khoa Cơ khí đã tạo điều
kiện tốt nhất cho tôi được hoàn thành đề tài. Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của TS.
Đặng Xuân Phương đã giúp tôi hoàn thành tốt đề tài. Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn
sâu sắc đến sự giúp đỡ này. Tôi cũng rất biết ơn thầy PGS. TS Phạm Hùng Thắng đã
cung cấp cho tôi kiến thức trong việc theo đuổi các mục tiêu nghiên cứu đề tài của
mình. Bên cạnh đó, công việc này sẽ không thể thực hiện được nếu không có sự hỗ trợ
từ các bạn học viên trong lớp cao học của tôi cũng như các giảng viên trong Bộ môn
Chế tạo máy và Khoa Xây dựng Trường Đại học Nha Trang. Tôi cũng xin chân thành
cám ơn đối với sự ủng hộ từ vợ tôi, người đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian đi học
của mình.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và tất cả bạn bè đã giúp
đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Khánh Hòa, ngày 17 tháng10 năm 2015
Tác giả luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Mai Nguyễn Trần Thành

ii


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................1
CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN ......................................................................................3

1.1.

Tổng quan về các loại năng lượng tái tạo ................................................................... 3

1.2.

Tổng quan về điều kiện dòng suối ở khu vực vùng núi tỉnh Khánh Hòa ................... 4

1.3.

Các loại tuabin thủy động học (hydrokinetic turbine) ................................................ 6

1.3.1.

Lịch sử phát triển .................................................................................................. 6

1.3.2.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ........................................................ 10

1.4.

1.3.2.1.

Nước ngoài .................................................................................................. 10

1.3.2.2.

Trong nước .................................................................................................. 10

Mục tiêu, phạm vi nghiên cứu của đề tài .................................................................. 11

1.4.1.

Mục tiêu .............................................................................................................. 11

1.4.2.

Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 11

1.5.

Phương pháp nghiên cứu đề tài ................................................................................ 11

CHƯƠNG 2:
2.1.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................16

Cơ sở lý thuyết .......................................................................................................... 16

2.1.1.

Động lực học chất lỏng của tuabin thủy động .................................................... 16

2.1.1.1.

Các định nghĩa ............................................................................................. 16

2.1.1.2.

Ảnh hưởng của các hệ số thủy động học..................................................... 16

2.1.1.3.

Biên dạng cánh ............................................................................................ 17

2.1.1.4.

Tỉ số vận tốc đầu cánh (λ) ........................................................................... 21

2.1.1.5.

Hệ số công suất (𝐶𝑝) ................................................................................... 21

2.1.2.

Phương pháp tính toán động lực học chất lỏng (CFD) ....................................... 22

2.1.2.1.

Các phương trình cơ sở ............................................................................... 22

2.1.3.

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) ................................................................ 25

2.1.4.

Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) ................................................................ 26

2.1.5.

Phương pháp sai phân hữa hạn (FDM) ............................................................... 28

2.1.6.

Mô hình dòng chảy rối ....................................................................................... 28

2.1.6.1.

Mô hình k − ε.............................................................................................. 29

2.1.6.2.

Mô hình k − ω ............................................................................................ 30

2.1.6.3.

Mô hình Shear-Stress Transport (SST) ....................................................... 30

2.1.7.

Sự tương tác giữa cấu trúc chất lỏng .................................................................. 31

2.1.8.

Giải quyết bằng phương pháp số ........................................................................ 31

2.1.9.

Nguồn quay (momentum source) ....................................................................... 32

2.1.10.

Lưới tọa độ của lớp liên kết suy rộng - The Generalized Grid Interface (GGI)
33

iii


CHƯƠNG 3:

MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC TUABIN .......................................35

3.1.

Giới thiệu .................................................................................................................. 35

3.2.

Thiết kế mô hình hình học ........................................................................................ 38

3.2.1.

Mô hình thiết kế trong Ansys CFX .................................................................... 40

3.2.1.1.

Mô phỏng trong Ansys CFX ....................................................................... 40

3.2.1.2.

Chia lưới ...................................................................................................... 40

3.2.1.3.

Cài đặt mô hình ........................................................................................... 42

3.2.1.4.

Kết quả ........................................................................................................ 44

3.2.2.

Xác định tốc độ quay 𝜔 tối ưu ............................................................................ 47

3.2.3.

Mô hình hệ thống tuabin thủy động học: ............................................................ 54

CHƯƠNG 4:

TỐI ƯU HÓA HÌNH DÁNG TUABIN THỦY ĐỘNG HỌC ...........57

4.1.

Giới thiệu về tối ưu hóa ............................................................................................ 57

4.2.

Thuật toán tối ưu hóa ................................................................................................ 58

4.3.

Mục tiêu tối ưu hóa ................................................................................................... 60

4.4.

Quy hoạch thực nghiệm ............................................................................................ 60

4.5.

Kết quả và thảo luận ................................................................................................. 61

4.6.

Xác định góc nghiêng hợp lý cho trục lắp cánh tuabin so với mặt nước ................. 70

CHƯƠNG 5:

KẾT LUẬN ........................................................................................ 72

5.1.

Kết luận chung .......................................................................................................... 72

5.2.

Hướng nghiên cứu trong tương lai ........................................................................... 73

5.3.

Hạn chế của đề tài ..................................................................................................... 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 74
Phụ lục 1: XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC MẪU THÍ NGHIỆM TRONG PRO
ENGINEER 5.0, KIỂM TRA TỈ SỐ MẶT ĐĨA TRONG AUTOCAD 2013 ................ I
Phụ lục 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRONG ANSYS CFX 14.0 ................................. V

iv


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
𝑩𝑬𝑴:

Blade element method (Phương pháp phần tử cánh)

𝑪𝑭𝑫:

Computational flud dynamic (Tính toán động lực học chất lỏng)

𝑮𝑮𝑰:

General grid interface (Lưới tọa độ của lớp liên kết suy rộng)

𝑻𝑺𝑹:

Tip speed ratio (Tỉ số vận tốc đầu cánh)

𝑭𝑽𝑴:

Finite volume method (Phương pháp thể tích hữa hạn)

𝑭𝑬𝑴:

Finite element method (Phương pháp phần tử hữu hạn)

𝑯𝑲𝑻:

Hydrokinetic turbine (Tuabin thủy động học)

𝑭𝑫𝑴:

Finite differents method (Phương pháp sai phân hữu hạn)

𝑫𝑶𝑬:

Design of Experiments (Thiết kế thí nghiệm)

v


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Kết quả của cánh thử nghiệm thứ nhất..................................................................... 49
Bảng 3.2: Thông sô cánh thử nghiệm thứ nhất ......................................................................... 50
Bảng 3.3: Kết quả cánh thử nghiệm thứ hai ............................................................................. 52
Bảng 3.4: Thông số cánh thử nghiệm thứ hai ........................................................................... 52
Bảng 4.1: Bảng thông số quy hoạch thực nghiệm xuất từ phần mềm Isight 5.8 với việc chọn
thiết kế thí nghiệm Box – Behnken .......................................................................................... 61
Bảng 4.2: Các thông số sau khi chạy mô phỏng trong Ansys CFX 24 thí nghiệm .................. 61

Bảng 4.3 Bảng giá trị so sánh các thông số trước và sau khi tối ưu ......................................... 68
Bảng 4.4 Bảng giá trị momen T ở các góc nghiêng trục so với mặt nước được thử nghiệm ... 70

vi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Suối tại Nam Cát Tiên — Khánh Sơn ........................................................................ 5
Hình 1.2: Suối tại Ninh Thượng - Ninh Hòa .............................................................................. 5
Hình 1.3 Tuabin Garman ............................................................................................................ 6
Hình 1.4 Tuabin Tyson, Úc ........................................................................................................ 7
Hình 1.5 Mẫu tuabin của công ty Rutten, Bỉ .............................................................................. 7
Hình 1.6 Tuabin Gorlov ............................................................................................................. 8
Hình 1.7 Tuabin kiểu trục nghiêng ............................................................................................. 8
Hình 1.8 Thế hệ thứ 3 của tuabin nghiên cứu tại Brazil bao gồm: ............................................. 9
Hình 1.9 Mô hình Box – Behnken 3 yếu tố .............................................................................. 13
Hình 1.10 Quy trình nghiên cứu ............................................................................................... 15
Hình 2.1: Các bộ phận của cánh tuabin thủy động lực học ...................................................... 16
Hình 2.2: Đường dòng bao quanh cánh .................................................................................... 18
Hình 2.3: Các thông số chính của một biên dạng cánh ............................................................ 18
Hình 2.4: Ví dụ biên dạng cánh ................................................................................................ 18
Hình 2.5: Lực nâng và lực cản.................................................................................................. 19
Hình 2.6 Đồ thị ví dụ về ảnh hưởng của góc tới đến hệ số lực nâng trong thí nghiệm của một
loại biên dạng cánh (19) ........................................................................................................... 20
Hình 2.7: Dạng chia lưới phần tử hữu hạn thông thường (hai chiều) ...................................... 26
Hình 2.8: Loại lưới thể tích hữu hạn hai chiều thông thường (lưới hình chữ nhật) ................. 27
Hình 2.9: Nguồn quay (momentum source) ............................................................................. 32
Hình 2.10: Hai bản vá của hai phần chia lưới không phù hợp. Phần lưới GGI bên ngoài ổn
định và phần lưới GGI bên trong của cánh tuabin.................................................................... 34
Hình 3.1: Mẫu cánh tuabin số 1 (41) ........................................................................................ 39

Hình 3.2: Mẫu cánh tuabin số 2 (40) ........................................................................................ 39
Hình 3.3: Mô hình trong Ansys CFX – DesignModeler .......................................................... 40
Hình 3.4: Mô hình nhìn từ phía ngoài ...................................................................................... 41
Hình 3.5: Mô hình khung dây................................................................................................... 41
Hình 3.6: Các vùng trong CFX ................................................................................................. 42
Hình 3.7: Các điều kiện biên trong CFX .................................................................................. 43
Hình 3.8: Giao diện khởi động Solver Manager ...................................................................... 44
Hình 3.9: Giao diện chạy đã hội tụ trong Solver Manager ....................................................... 45
Hình 3.10: Vận tốc dòng chảy ở streamline ............................................................................. 45
Hình 3.11: Áp suất phân bố trên mặt trước và sau của cánh tuabin ở contour......................... 46
Hình 3.12: Lực phân bố trên bề mặt trước và sau cánh tuabin ở contour ................................ 46
Hình 3.13: Tính momen quay cánh tuabin trong CFD – Post .................................................. 46
Hình 3.14: Mô hình cánh thử nghiệm 1.................................................................................... 50

vii


Hình 3.15: Mô hình cánh thử nghiệm 2.................................................................................... 52
Hình 3.16 Mô hình tuabin của đồng bào vùng núi ................................................................... 54
Hình 3.17 Mô hình tuabin trục nghiêng ................................................................................... 54
Hình 3.18 Sơ đồ kết cấu tuabin thủy động học......................................................................... 55
Hình 4.1: Biểu đồ tối ưu hóa thích nghi Response Surface về dòng chảy ............................... 59
Hình 4.2: Thông số lấy được sau khi chạy tối ưu, từ các thông số này ta đưa ra được phương
trình hồi quy ............................................................................................................................. 63
Hình 4.3: Giao diện tối ưu hóa trong Isight 5.8 ........................................................................ 64
Hình 4.4: Hệ số R2 = 0,9348 (≈1) sau khi tối ưu trong Isight 5.8 ............................................ 64
Hình 4.5 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của hệ số lực nâng 𝑪𝒍 và góc tấn 𝜶 của dòng tới ở biên
dạng cánh ở gốc cánh NACA 0012 (52) .................................................................................. 68
Hình 4.6: Kết quả các thông số của cánh sau khi tối ưu........................................................... 69

viii


DANH SÁCH CÁC HÌNH PHỤ LỤC
Hình phụ lục 1: Biên dạng cánh NACA 0012 (nguồn Web) .......................................................I
Hình phụ lục 2: NACA 0012 .......................................................................................................I
Hình phụ lục 3: NACA 0010 .......................................................................................................I
Hình phụ lục 4: NACA 0009 .......................................................................................................I
Hình phụ lục 5: Dùng lệnh Revolve tạo củ cánh ....................................................................... II
Hình phụ lục 6: Kết quả cuối cùng ............................................................................................ II
Hình phụ lục 7: Cánh sau khi hoàn thành lệnh blend - protrution............................................ III
Hình phụ lục 8: Dùng lệnh pattern tạo ra số cánh .................................................................... III
Hình phụ lục 9: Dùng lệnh extrude – cut để tạo ra đúng đường kính ngoài ............................ IV
Hình phụ lục 10: Dùng lệnh Area đo biên dạng trong CAD .................................................... IV
Hình phụ lục 11: Giao diện của Ansys Workbench .................................................................. V
Hình phụ lục 12: Cây thư mục trong DesignModeler ............................................................... V
Hình phụ lục 13: Chi tiết Enclosure3 ....................................................................................... VI
Hình phụ lục 14: Chi tiết Enclosure4 ....................................................................................... VI
Hình phụ lục 15: Outline trong Meshing .................................................................................. VI
Hình phụ lục 16: Chi tiết Mesh .............................................................................................. VII
Hình phụ lục 17: Outline trong CFX - Pre ............................................................................ VIII
Hình phụ lục 18: Chi tiết cài đặt loại phân tích ..................................................................... VIII
Hình phụ lục 19: Chi tiết cài đặt domain: water ....................................................................... IX
Hình phụ lục 20: Chi tiết cài đặt boundary: inlet ...................................................................... X
Hình phụ lục 21: Chi tiết cài đặt boundary: opening ................................................................. X
Hình phụ lục 22: Chi tiết cài đặt boundary: outlet .................................................................... X
Hình phụ lục 23: Chi tiết cài đặt boundary: water_wall ........................................................... XI
Hình phụ lục 24: Chi tiết cài đặt domain: water_turbine ......................................................... XI
Hình phụ lục 25: Chi tiết cài đặt boundary: turbine ............................................................... XII
Hình phụ lục 26: Chi tiết cài đặt Domain Interface : Domain Interface 1 ............................. XII

Hình phụ lục 27: Outline trong CFD – Post .......................................................................... XIII
Hình phụ lục 28: Chi tiết cài đặt trong Streamline 1 ............................................................. XIV
Hình phụ lục 29: Chi tiết cài đặt trong Contour 1 ................................................................. XIV
Hình phụ lục 30 Chi tiết cài đặt vận tốc dòng chảy cho Domain Inlet trong Ansys CFX ..... XV

ix


DANH SÁCH CÁC ĐỒ THỊ
Đồ thị 3.1 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của hiệu suất thủy động 𝐶𝑝 và tỉ số vận tốc đầu cánh
𝜆 (42) ........................................................................................................................................ 48
Đồ thị 3.2: Đồ thị T(Nm) - 𝜔 (vòng/phút)............................................................................... 50
Đồ thị 3.3: Đồ thị Cp(-) - 𝜔 (vòng/phút) ................................................................................. 51
Đồ thị 3.4: Đồ thị T(Nm) - 𝜔(vòng/phút)................................................................................. 53
Đồ thị 3.5: Đồ thị Cp(-) - 𝜔(vòng/phút) ................................................................................... 53
Đồ thị 4.1: Biểu đồ mức độ ảnh hưởng toàn cục của các thông số đối với Cp ........................ 65
Đồ thị 4.2: Biểu đồ 3D góc xoắn tại gốc cánh – hiệu góc xoắn tại gốc và đỉnh cánh - Cp ...... 66
Đồ thị 4.3: Biểu đồ 3D góc xoắn tại gốc cánh – tỉ số mặt đĩa - Cp .......................................... 66
Đồ thị 4.4: Biểu đồ 3D góc xoắn tại gốc cánh – số cánh – Cp ................................................. 66
Đồ thị 4.5 Đồ thị biểu thị mối quan hệ góc nghiêng trục và momen T .................................... 70
Đồ thị 4.6 Đồ thị biểu thị mối quan hệ góc nghiêng trục và hiệu suất thủy động Cp .............. 71

x


TRÍCH YẾU LUẬN VĂN
Việc khai thác năng lượng từ sông, suối có một lịch sử phát triển lâu dài như một
nguồn năng lượng tái tạo sạch. Các tuabin nước truyền thống đòi hỏi các cấu trúc dân
dụng lớn và chi phí vốn cao cho việc chế tạo. Tuabin thủy động học không đòi hỏi
nhiều về cấu trúc mà lại rất thuận lợi vì có thể di chuyển được dễ dàng, vì vậy nó là

một thay thế tốt cho các loại tuabin nước lâu nay. Nghiên cứu này sử dụng phương
pháp nghiên cứu tổng hợp và chọn lọc các cơ sở lý thuyết và sử dụng hiệu quả sự trợ
giúp của máy tính để giải quyết các vấn đề phát triển turbine thủy động học cung cấp
điện năng cho đồng bào vùng cao ở tỉnh Khánh Hòa từ năng lượng dòng suối. Cách
thức xây dựng mô hình tối ưu hóa được giải thích để tối ưu hóa cánh tuabin cho dòng
suối có vận tốc 1,6 m/s để tạo ra momen quay lớn nhất với công suất đầu ra là 𝑃𝑡 =
500W, kế hoạch trong tương lai sẽ tối ưu hóa cho tuabin tại 1 m/s. Vòng lặp tối ưu hóa
được chứng minh và các kết quả cho thấy một thiết kế tối ưu hóa sẽ có công suất đầu
ra 𝑃𝑡 = 549,36 W với hiệu suất thủy động 𝐶𝑝 = 0,3295. Các nhận xét, đánh giá kết quả
và quy trình để tiến hành tối ưu hóa thiết kế được thảo luận. Kế hoạch tương lai cho
việc chế tạo và chạy mẫu thử nghiệm được đưa ra.
Từ khóa: tuabin thủy động học, tối ưu hóa, hiệu suất thủy động

xi


LỜI NÓI ĐẦU
Ngoài năng lượng mặt trời, năng lượng gió thì năng lượng nước là một nguồn
năng lượng thiên nhiên mà loài người đang chú trọng đến cho nhu cầu năng lượng trên
thế giới trong tương lai. Hiện nay, năng lượng nước đã mang đến nhiều hứa hẹn. Tuy
nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lượng này trong tương lai, cần phải hoàn chỉnh
thêm công nghệ cũng như làm thế nào để đạt được năng suất chuyển động năng của
nước thành điện năng cao để từ đó có thể hạ giá thành và cạnh tranh được với những
nguồn năng lượng khác.
Từ điều kiện thực tế ở các dòng suối khu vực vùng núi tỉnh Khánh Hòa thì máy
phát điện sử dụng cánh tuabin dẫn dòng được xem như là một hướng nghiên cứu thử
nghiệm mới có thể mang lại hiệu quả tốt. Để nâng cao hiệu suất của máy phát điện loại
này thì việc tối ưu hóa kết cấu cánh tuabin dẫn dòng được xem như là vấn đề quan
trọng nhất để nâng cao hiệu suất của tuabin.
Tuy nhiên, quá trình tối ưu kết cấu cánh tuabin dẫn dòng gặp nhiều khó khăn ở

việc xây dựng mô hình cánh tuabin đúng với các thông số hình học của nó, xác định
đúng lực của dòng nước tác dụng lên cánh tuabin và việc thay đổi kết cấu cánh tuabin
cũng như một vài thông số về điều kiện biên. Bên cạnh đó các công thức giải tích đề
xác định áp suất của nước tác dụng lên cánh tuabin là không hề đơn giản do sự phức
tạp về hình dáng hình học của cánh tuabin. Các công thức tính lực tác dụng lên cánh
tuabin trình bày trong các tài liệu là các công thức thực nghiệm và bán thực nghiệm.
Để tiến hành chế tạo một cánh tuabin mới cần thiết kế và làm thực nghiệm trên
một số mẫu để thay đổi những thông số về kết cấu cánh tuabin cần thiết sao cho hiệu
suất là cao nhất. Mỗi lần thay đổi như vậy phải làm một mẫu mới nên mất khá nhiều
thời gian và tốn kém. Nếu kết hợp việc mô phỏng vào quá trình này sẽ giúp kiểm tra
cho nhiều mẫu hơn mà chỉ cần đo đạc thực nghiệm trên những mẫu sau khi đã tối ưu
hoá trong quá trình mô phỏng. Vì vậy giúp tiết kiệm thời gian khi nghiên cứu mô hình
cánh tuabin, làm giảm công sức và chi phí về tài chính rất nhiều trong việc thiết kế và
chế tạo cánh tuabin. Vấn đề tối ưu hóa hình dáng cho cánh tuabin hiện nay chưa được
đưa ra một cách có hệ thống, nhất là các nguồn tài liệu ở trong nước hiện nay về vấn
đề này là quá ít, gây khó khăn cho việc nghiên cứu. Trong khi đó tối ưu hóa hình dáng

1


cho cánh tuabin có ý nghĩa trong việc nâng cao hiệu suất, đồng nghĩa với việc làm nhỏ
gọn kích thước và tiết kiệm vật liệu, đó là ý nghĩa thực tiễn của đề tài này.
Từ những trình bày trên đây chúng tôi xin đề xuất đề tài “Tối ưu hóa cánh tuabin
dẫn động cho máy phát điện phục vụ khu vực vùng núi tỉnh Khánh Hòa” với mục tiêu
tối ưu hóa hình dáng của cánh tuabin làm cơ sở khoa học để ứng dụng vào thiết kế
tuabin dẫn động cho máy phát điện phục vụ khu vực vùng núi của tỉnh Khánh Hòa nói
riêng cũng như tiến tới có thể áp dụng cho các khu vực vùng núi khác ở nước ta nói
chung. Đóng góp của đề tài này sẽ vừa mang ý nghĩa về mặt lý thuyết, vừa mang tính
thực tế.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về các loại năng lượng tái tạo
Do nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới tăng, việc tiếp tục khai thác từ các
nguồn năng lượng sẵn có sẽ dẫn tới sự cạn kiệt năng lượng. Sự mất cân bằng này đưa
đến nhiều cuộc điều tra, nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc tìm kiếm nguồn năng
lượng thay thế khả thi. Trong vấn đề tìm kiếm các nguồn năng lượng mới, các loại
năng lượng tái tạo đang được quan tâm nhiều nhất. Những hình thức này có thể hỗ trợ
cho giải pháp dài hạn nhằm đáp ứng nhu cầu nguồn năng lượng ngày càng tăng lên của
thế giới và các loại năng lượng này thường không ảnh hưởng tới môi trường, trái
ngược với khí carbon và khí nhà kính do dầu hoặc than đốt thải ra.
Trên thế giới đã có những yêu cầu sử dụng đối với năng lượng tái tạo sạch bằng
cách áp đặt các lệnh trừng phạt khác nhau, thiết lập mục tiêu để cung cấp một phần lớn
nhu cầu năng lượng của thế giới bằng nguồn tài nguyên tái tạo. Trong tháng 06 năm
2009, Hội đồng Châu Âu đã ký kết điều luật về khí hậu và năng lượng, cam kết đến
năm 2020, ít nhất 20% lượng tiêu thụ năng lượng của Liên minh châu Âu được cung
cấp bởi nguồn tài nguyên tái tạo cũng như bắt buộc giảm ít nhất 20% lượng khí thải
nhà kính so với mức của năm 1990 (1). Các nhà lãnh đạo Liên minh châu Âu cũng
đang đề xuất mục tiêu mới, các nước bảo đảm giảm lượng lớn khí nhà kính phát ra và
cam kết giảm tiêu thụ loại năng lượng thải ra khí này.
Tại Mỹ, pháp luật Nhà nước cũng đang áp đặt mục tiêu sử dụng năng lượng tái
tạo cho nước mình. Tính đến tháng 5 năm 2009, 24 tiểu bang đã đưa Tiêu chuẩn năng
lượng tái tạo vào danh mục đầu tư tại chỗ mà đòi hỏi cam kết từ các công ty để cung
cấp một tỷ lệ phần trăm nhất định sử dụng năng lượng của họ từ các nguồn năng lượng
tái tạo (2). Danh mục đầu tư tiêu chuẩn năng lượng tái tạo của Tiểu Bang Washington
đòi hỏi 15% sản lượng cung cấp từ các nhà máy điện lớn đến từ các nguồn năng lượng
tái tạo phải đủ điều kiện đáp ứng vào năm 2020 (3). Các nguồn năng lượng hợp pháp
bao gồm các hình thức khác nhau của năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng

sinh học, năng lượng biển, và một số dự án cải tiến máy thủy điện nước ngọt (4).
Để đáp ứng các tiêu chuẩn năng lượng trên toàn cầu, nghiên cứu công nghệ
năng lượng tái tạo phải được tiếp tục. Khi năng lượng yêu cầu tăng lên và dự trữ tài
nguyên của chúng ta suy giảm, nhiều nghiên cứu được dành để tìm kiếm năng lượng
3


thay thế khả thi. Năng lượng gió đã nổi lên như một nguồn năng lượng đi đầu trong
các nguồn năng lượng mới, trong khi các lựa chọn khác tiếp tục được nghiên cứu.
Năng lượng thủy triều đã được coi như một cơ hội tiềm năng để thu được năng lượng
tái tạo sạch. Người ta ước tính tổng tiềm năng năng lượng thủy triều của thế giới là
khoảng 3 TW (5).Gần đây hơn, động năng của dòng nước trong các đại dương, sông
và suối đang được khai thác và cũng như các nguồn năng lượng tái tạo khác chúng
cũng rất thân thiện với môi trường.
1.2. Tổng quan về điều kiện dòng suối ở khu vực vùng núi tỉnh Khánh Hòa
Khánh Hòa là tỉnh có thời tiết vừa chịu sự chi phối của khí hậu nhiệt đới gió mùa
vừa mang tính chất khí hậu đại dương nên tương đối ôn hòa. Nhiệt độ trung bình hàng
năm khoảng 26°C, có khoảng hơn 300 ngày nắng. Lượng mưa dao động từ 1000mm
đến 2000mm, tập trung từ tháng 9 đến tháng 12 với hơn 70% cả năm.
Miền núi tinh Khánh Hoà gồm hai huyện Khánh Sơn và Khánh Vĩnh và một số
xã thuộc các huyện Cam Ranh, Ninh Hoà và Vạn Ninh với diện tích tự nhiên khoảng
290.500 ha, chiếm 63,5 % diện tích toàn tỉnh. Với đặc trưng là vùng đồi cao khá khô
hạn mặc dù xen lẫn nhiều dòng suối nhỏ ít nước về mùa khô nhưng khá mạnh về mùa
mưa.
Toàn tỉnh có 49 xã thuộc khu vực miền núi, vùng cao, do điều kiện tự nhiên,
những con suối được hình thành tại các huyện miền núi này, hầu hết nước sinh hoạt
của những người dân vùng cao đều lấy tại các con suối này. Sông suối ờ Khánh Hòa
nhìn chung ngắn và dốc, cả tỉnh có khoảng 40 con sông dài từ 10 km trở lên, tạo thành
một mạng lưới sông suối phân bố khá dày (6).
Một số hình ảnh về các dòng suối ở Khánh Hòa (hình 1.1, hình 1.2):

4


Hình 1.1: Suối tại Nam Cát Tiên — Khánh Sơn

Hình 1.2: Suối tại Ninh Thượng - Ninh Hòa

Ta thấy được rằng, mức nước cũng như tốc độ dòng chảy của suối vào mùa mưa
và mùa nắng là hoàn toàn khác nhau, về mùa mưa nước nhiều và chảy mạnh, mùa
nắng suối cạn, tốc độ dòng chảy chậm, đề tăng dòng chảy của suối về mùa nắng ta
phải tiến hành ngăn dòng để tăng lưu lượng nước (7). Do điều kiện vùng núi còn nhiều
khó khăn nên việc có điện để phục vụ cho sinh hoạt và đời sống của bà con vẫn còn
thiếu thốn. Thấy được vấn đề này cùng với việc hệ thống sông suối dày đặc thì việc
thiết kế chế tạo tuabin sử dụng động năng của các dòng chảy sông, suối trên vùng núi
là một hướng đề xuất để nghiên cứu mang tính thực tế cấp thiết. Trên thế giới thì việc
sử dụng tuabin để sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ sông, suối đã được nghiên cứu
nhiều nhưng ở Việt Nam việc tạo ra tuabin hiện nay chỉ là những mô hình tự chế của
bà con đồng bào nên chưa đem lại hiệu suất cao. Vì vậy đề tài này hy vọng có thể tìm
ra được một loại cánh tuabin có hiệu suất cao hơn.

5


1.3. Các loại tuabin thủy động học (hydrokinetic turbine)
1.3.1. Lịch sử phát triển
Trong nhiều thế kỷ, con người đã khai thác các dòng sông, suối bằng công cụ là
các bánh xe chạy bằng sức nước hay các phương tiện máy móc thô sơ khác. Theo thời
gian, sự phát triển của các dự án về các tuabin thủy lực lớn hơn và hiệu quả hơn đã
sáng tạo ra những thủy điện với công nghệ hiện đại trên toàn thế giới. Tuy nhiên, nó

cũng gây ra những tác động môi trường và xã hội đáng kể.
Những tuabin thủy động học biến đổi động năng của các dòng sông, suối hay
dòng nước thủy triều thành năng lượng điện là lựa chọn thay thế cho việc chuyển đổi
năng lượng về lâu dài. Việc khai thác thủy điện động học nhỏ không phải là một khái
niệm mới, nhưng khi xem xét lại thấy kiểu biến đổi năng lượng này thực sự trở thành
một sự thay thế cho việc chuyển đổi năng lượng bền vững (8). Hệ thống tuabin thủy
động học phát điện, trong việc biến đổi năng lượng có tác động môi trường ít, nên nó
đại diện cho một nguồn năng lượng tái tạo hiệu quả.
Ví dụ về loại tuabin đầu tiên phát triển trong dòng lịch sử, do Peter Garman phát
triển và thử nghiệm là một sáng kiến của Tập đoàn Công nghệ Phát triển Trung cấp
(Intermediate Technology Development Group) vào năm 1978 gọi là tuabin Garman
chủ yếu dùng để bơm nước và tưới tiêu (hình 1.3). Trong một khoảng thời gian bốn
năm, tổng cộng chín nguyên mẫu được xây dựng và thử nghiệm ở Juba, Sudan trên
sông Nile với tổng thời gian 15,500 giờ chạy. Quá trình này đạt được kết quả về kỹ
thuật và kinh tế thuận lợi. Thiết kế có một phao nổi với tuabin trục nghiêng hoàn toàn
ngập nước và hệ thống neo (9).

Hình 1.3 Tuabin Garman

6


Hình 1.4 minh họa một thiết kế của Úc được biết đến như tuabin Tyson gồm một
trục tuabin ngang với một cơ chế truyền tải vuông góc có một máy phát điện gắn trên
phao (9).

Hình 1.4 Tuabin Tyson, Úc

Một mẫu tương tự của Bỉ (Công ty Rutten, Herstal, Bỉ) ở hình 1.5 có chứa một
phao dạng đôi với tuabin và một xe nước cánh thẳng nổi đã được thử nghiệm ở Zaire,

châu Phi (9).

Hình 1.5 Mẫu tuabin của công ty Rutten, Bỉ

Các tài liệu kỹ thuật liên quan đến khái niệm và việc thiết kế các tuabin thủy
động học (hydrokinetic turbine - HKT) không nhiều. Loại tuabin này khác hoàn toàn
với loại tuabin phát điện công suất lớn ở các nhà máy thủy điện hoặc các loại tuabin
nước kiểu khác ở tính năng dễ di chuyển và nhỏ gọn trong kết cấu nhưng công suất
nhỏ hơn các loại tuabin của nhà máy thủy điện lớn. Một vài bài báo đã có từ lâu và
được trình bày còn hạn chế trong các ấn phẩm, hội nghị khoa học. Gorban et al. (10)
trình bày một phân tích suy luận của mình về việc tạo ra ống dẫn dòng của các tuabin
thủy động. Việc này đã mở ra một khái niệm mới về tuabin gọi là tuabin Gorlov (11).
7


Nhờ kiểu tuabin Gorlov nên dẫn đến thiết kế cánh tuabin kiểu xoắn ốc đã được sử
dụng (xem hình 1.6).

Hình 1.6 Tuabin Gorlov

Inagaki et al. (12) và Kanemoto et al. (13) đề xuất sử dụng một tuabin trục
nghiêng cho các dòng cạn (hình 1.7). Tính đơn giản của mô hình này cũng như kết quả
về hiệu suất của các mẫu thử nghiệm là mục tiêu chính của loại máy này.

Hình 1.7 Tuabin kiểu trục nghiêng

Tại Brazil, kinh nghiệm của những thành công lớn trong việc tạo ra năng lượng
điện sử dụng công nghệ HKT gắn liền với Khoa Kỹ thuật cơ khí của Đại học BrasiliaUNB, với sự phát triển của ba thế hệ tuabin thủy động (14). Máy đầu tiên được phát
triển do nhóm nghiên cứu này, được gọi là thế hệ thứ nhất, đã được thử nghiệm vào
tháng 7 năm 1995. Dự án này cho thấy góc dòng chảy trong mặt phẳng đầu vào của

8


cánh tuabin được cải thiện. Kết quả tốt nhất của máy này đạt được ở vận tốc dòng sông
là 2 m/s và sáu cánh chân vịt giống như tuabin, với đường kính 80cm (15).
Các máy thế hệ thứ hai dùng ống dẫn dòng được thử nghiệm tháng 8 năm 2005.
Sự cải thiện hiệu suất đã được quan sát thấy trong các lần thử nghiệm. Tuy nhiên, sự
gia tăng kích thước của máy này trở nên không thể sử dụng ở một số các con sông có
chiều sâu thấp (16).
Với sự phát triển của các dự án và các nghiên cứu cho các máy nhỏ gọn và di
động ở thế hệ thứ ba của tuabin khí động học đã được hình thành (hình 1.8). Máy này
sở hữu một cấu trúc vỏ bên ngoài đóng vai trò là một bộ khuếch tán, hình thành đồng
bộ với các cánh tuabin. Việc mô phỏng số thông qua kỹ thuật tính toán động lực học
chất lỏng CFD (computational fluid dynamic) cho thấy nó đã đạt được công suất 1,5
kW cho các con sông chảy với vận tốc 2m/s (17).

Hình 1.8 Thế hệ thứ 3 của tuabin nghiên cứu tại Brazil bao gồm:
Lưới bảo vệ (1), các cánh tuabin (2), cánh chân vịt (3), ống hút (4), nón cho các dòng chảy
vào và ra (5), hộp truyền động (6)

Qua các thế hệ máy được nghiên cứu ở trên, cho thấy tuabin trục nghiêng chủ
yếu đã được nghiên cứu để chuyển đổi năng lượng các dòng sông, suối nhỏ. Tuabin
trục ngang thì phổ biến trong chuyển đổi năng lượng thủy triều và rất giống với các tua
bin gió hiện đại ở thiết kế và các đặc điểm cấu trúc. Tuabin với cấu trúc neo vững chắc
thì đòi hỏi các kết cấu phát điện phải được đặt gần sông, đáy biển. Tuabin trục ngang
với kiểu neo nổi có thể cho phép một máy phát điện không ngập nước phải được đặt
càng gần mặt nước càng tốt.
Nhận thấy đề tài này phù hợp với kiểu tuabin trục nghiêng vì yêu cầu công suất
đầu ra thấp, các dòng suối có điều kiện dòng chảy không ổn định. Ngoài ra, dựa trên
việc phân tích thiết kế của các loại tuabin thủy lực dọc trục và tuabin gió trục ngang,

9


luận văn sẽ sử dụng phương pháp tính toán động lực học chất lỏng (CFD) và tối ưu
hóa bằng cách mô phỏng số trong phần mềm Ansys để xác minh một số thông số hình
học của cánh, công suất đầu ra, hiệu suất thủy động từ đó tiến hành tối ưu hình dạng
cánh.
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.3.2.1. Nước ngoài
Trên thế giới, các cơ sở lý thuyết cũng như việc tính toán cho các loại tuabin thủy
động học là tương đối đầy đủ và thống nhất với một lịch sử phát triển lâu đời của các
loại tuabin khác nhau. Việc tham khảo tài liệu nước ngoài từ các tác giả đi trước làm
cho việc nghiên cứu đề tài này trở nên thuận lợi hơn. Xu hướng hiện nay, ở nước ngoài
nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung nghiên cứu về hình dáng của các loại tuabin với
nhiều hình dáng khác nhau với mục đích cuối cùng là thu được hiệu suất tốt nhất cho
tuabin thủy động học. Ngoài ra, việc nghiên cứu để sử dụng hiệu quả từng loại tuabin
riêng biệt cho các điều kiện khác nhau từ dòng chảy của sông, suối, thủy triều cũng
đang là vấn đề được quan tâm.
1.3.2.2. Trong nước
Hiện nay, trong nước các bài báo, tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu về các
loại tuabin thủy động học cho các dòng sông, suối là quá ít. Cơ sở lý thuyết cũng như
việc tính toán thiết kế cho cánh tuabin thủy động học là chưa có cơ sở khoa học thống
nhất nên việc nghiên cứu đề tài này sẽ mang lại ý nghĩa về mặt lý thuyết, đề tài sẽ góp
phần làm cho nguồn tài liệu trong nước về vấn đề này được phong phú hơn. Tạo cơ sở
khoa học để việc nghiên cứu lý thuyết và tiến hành thiết kế chế tạo tuabin dễ dàng hơn.

10


1.4. Mục tiêu, phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.4.1. Mục tiêu
Nghiên cứu này nhằm mục tiêu xác định giá trị tối ưu của các thông số như: góc
xoắn tại gốc cánh, hiệu số góc xoắn tại gốc và đỉnh cánh, số cánh tuabin và tỉ số mặt
đĩa với mục đích làm tăng hiệu suất thủy động Cp của cánh tuabin dẫn dòng phục vụ
việc chạy được máy phát điện công suất 500 W.
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
Ứng dụng công cụ CFD trong mô phỏng số vào khảo sát momen quay của cánh
tuabin, áp suất thủy động của dòng chất lỏng tác dụng lên cánh tuabin để từ đó làm cơ
sở tối ưu hóa hình dạng cánh tuabin cho máy phát điện phục vụ cho khu vực miền núi
tỉnh Khánh Hòa.
1.5. Phương pháp nghiên cứu đề tài
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp và chọn lọc các cơ sở lý thuyết
và các công trình tính toán, sử dụng hiệu quả sự trợ giúp của máy tính để giải quyết
các vấn đề đặt ra.
- Nghiên cứu lý thuyết CFD trong mô phỏng số từ các phương trình động lực học
chất lỏng và sự tương tác giữa chất lỏng và vật rắn để tối ưu hóa kết cấu cánh tuabin.
- Tính toán kết hợp các cơ sở lý thuyết cánh trong cơ chất lỏng để giải quyết vấn
đề cần nghiên cứu trong phạm vi đề tài.
- Thông thường người ta sử dụng phương pháp thực nghiệm hoặc sử dụng mô
phỏng để tối ưu hóa. Trong đề tài này phương pháp mô phỏng được sử dụng để tối ưu
hóa hình dạng cánh tuabin với các ưu điểm vượt trội: tiết kiệm kinh phí chế tạo mẫu
tuabin, kinh phí thực nghiệm, tiết kiệm thời gian và công sức mà vẫn có thể đạt được
kết quả mong muốn.
- Để tối ưu bằng mô phỏng ảo thì phải quy hoạch thực nghiệm. Qui hoạch thực
nghiệm là cơ sở phương pháp luận của nghiên cứu thực nghiệm hiện đại. Đó là
phương pháp nghiên cứu mới, trong đó công cụ toán học giữ vai trò tích cực. Cơ sở
toán học nền tảng của lý thuyết qui hoạch thực nghiệm là toán học xác suất thống kê
với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phương sai và phân tích hồi qui. Những ưu

11

điểm rõ rệt của phương pháp quy hoạch thực nghiệm so với các thực nghiệm cổ điển là
(32):
+ Giảm đáng kể số lượng thí nghiệm cần thiết.
+ Hàm lượng thông tin nhiều hơn rõ rệt, nhờ đánh giá được vai trò qua lại giữa
các yếu tố và ảnh hưởng của chúng đến hàm mục tiêu. Nhận được mô hình toán học
thống kê thực nghiệm theo các tiêu chuẩn thống kê, đánh giá được sai số của quá trình
thực nghiệm theo các tiêu chuẩn thống kê cho phép xét ảnh hưởng của các yếu tố với
mức độ tin cậy cần thiết.
+ Cho phép xác định được điều kiện tối ưu đa yếu tố của đối tượng nghiên cứu
một cách khá chính xác bằng các công cụ toán học, thay cho cách giải gần đúng, tìm
tối ưu cục bộ như các thực nghiệm thụ động.
Thiết kế của thí nghiệm (Design of Experiments - DOE) là một tập hợp các kỹ
thuật xoay quanh các nghiên cứu về ảnh hưởng của các biến khác nhau về kết quả của
một thí nghiệm. Nói chung, bước đầu tiên là xác định các biến độc lập hoặc các yếu tố
có ảnh hưởng đến các sản phẩm hoặc quá trình, và sau đó nghiên cứu ảnh hưởng của
chúng trên một biến hoặc phản ứng phụ thuộc.
Các thí nghiệm thường được chạy ở giá trị yếu tố khác nhau, được gọi là cấp độ.
Mỗi lần chạy của một thí nghiệm liên quan đến một sự kết hợp của các cấp trong
những yếu tố đang được điều tra. Thiết kế Box-Behnken là một thiết kế phương pháp
bề mặt đáp ứng (response surface methodology - RSM) đòi hỏi chỉ có ba cấp độ để
chạy một thử nghiệm. Nó là một thiết kế 3 cấp đặc biệt vì nó không chứa bất kỳ điểm
nào ở các đỉnh của khu vực thí nghiệm. Điều này có thể có lợi khi các điểm trên các
góc của khối đại diện cho sự kết hợp mức đó là quá cao hoặc không thể kiểm tra vì hạn
chế về quá trình vật lý. Hình 2.11 dưới đây cho thấy một ví dụ về một thiết kế BoxBehnken với ba yếu tố (33):

12