Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học (HD và lt) đến hiệu suất của tua bin trực giao phù hợp với dòng chảy trên sông và ven biển ở việt nam tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Quốc Tuấn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC
(H/D VÀ L/T) ĐẾN HIỆU SUẤT CỦA TUA BIN TRỰC GIAO PHÙ
HỢP VỚI DÒNG CHẢY TRÊN SÔNG VÀ VEN BIỂN Ở VIỆT NAM

Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 9520116

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Côngtrìnhđượchoànthànhtại: BộmônVậtlý Tin học
Viện Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại

học

HÀ NỘI - 2018

Bách

khoa

Hà

N


Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

HD1. GS. TS. NGUYỄN THẾ MỊCH
HD2. TS. ĐỖ HUY CƯƠNG

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án đã được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường
họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi

giờ

ngày

tháng

năm

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. Nguyễn Quốc Tuấn, Nguyễn Thế Mịch, Đỗ Huy Cương (2016). Một số kết quả mô phỏng 2D

khi thay đổi số cánh bánh công tác tua bin trực giao bằng phần mềm Ansys-Fluent. Tuyển tập
công trình hội nghị khoa học cơ học thủy khí toàn quốc lần thứ 19 năm 2016
2. Phùng Hồng Tuấn, Nguyễn Quốc Tuấn (2017). Một số kết quả nghiên cứu lý thuyết về tua bin
trực giao và kết quả mô phỏng khi thay đổi số cánh bánh công tác tua bin trực giao. Tạp chí
nông nghiệp và phát triển nông thôn (ISSN 1859-4581) số 309 năm 2017.
3. ThS. Nguyễn Quốc Tuấn, GS.TS. Nguyễn Thế Mịch, ThS. Đinh Minh Tiến (2017). Nghiên
cứu ảnh hưởng của số lá cánh bánh công tác tới hiệu suất tua bin trực giao bằng thực nghiệm.
Tạp chí cơ khí (ISSN 0866-7056) số 6/2017.
4. MSc. Nguyen Quoc Tuan, Prof.Dr. Nguyen The Mich, MSc. Đoan Kim Binh (2017). The
effect of blade number Z and D/H aspect ratio on efficiency of H-type Darrieus turbine.
Vietnam Mechanical Engineering Journal, No.8/2017.
5. Nguyen Quoc Tuan, Nguyen The Mich, Do Huy Cuong (2017), The Effect of D/H Aspect
Ratio Change on Energy Characteristics of H-type Darrieus Turbine. Journal of Science &
Technology (ISSN 2354-1083) No.122/2017

3


Lời mở đầu
1. Sự cần thiết của đề tài

Ngày nay, cùng với tốc độ phát triển về kinh tế thì nhu cầu sử dụng năng lượng trên
thế giới ngày càng lớn, trong khi đó các nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu
khí… đang ngày càng cạn kiệt nhanh chóng, còn năng lượng hạt nhân thì có nguy cơ rủi
ro rất lớn. Vì thế, để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang
hướng đến những nguồn năng lượng mới đó là năng lượng tái tạo. Đây là những nguồn
năng lượng sạch và vô hạn, không bao giờ cạn kiệt.
Một trong những nguồn năng lượng tái tạo hiện nay đang được nhiều nơi trên thế
giới ứng dụng để phát điện đó là năng lượng dòng chảy ven sông, ven biển, các dòng
chảy tại các cửa sông, dòng chảy thủy triều. Ở nước ta, tiềm năng về các nguồn năng

lượng này là rất lớn, chúng ta hoàn toàn có thể khai thác để phát điện. Tua bin trực giao là
loại tua bin có kết cấu đơn giản, rất phù hợp để ứng dụng khai thác các nguồn năng lượng
này.
Tại Việt Nam, do đây là loại tua bin mới nên có rất ít các công trình nghiên cứu đề
cập tới loại tua bin trực giao này, với mong muốn đưa ra được mẫu tua bin trực giao phù
hợp với điều kiện dòng chảy tại Việt Nam để khai thác các nguồn năng lượng dòng chảy
ven sông, ven biển, tác giả đã đi sâu nghiên cứu luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các
thông số hình học (H/D và l/t) đến hiệu suất của tua bin trực giao phù hợp với dòng chảy
trên sông và ven biển ở Việt Nam” nhằm góp phần từng bước phát triển loại tua bin này
tại Việt Nam.
2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu: Đóng góp cho chuyên ngành một số bổ sung về phương pháp
tính toán, thiết kế tua bin trực giao với sự thay đổi các thông số hình học H/D và l/t của
bánh công tác tua bin. Cung cấp cơ sở khoa học trong công tác tính toán thiết kế tua bin
trực giao, lựa chọn được các thông số kích thước hình học bánh công tác phù hợp với điều
kiện dòng chảy thực tế
Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình
học H/D và l/t đến hiệu suất của tua bin trực giao phù hợp với dòng chảy trên sông và ven
biển ở Việt Nam.
3. Phương pháp nghiên cứu
kết hợp nghiên cứu tính toán lý thuyết với mô phỏng toán học và thực nghiệm vật lý,
đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số hình học H/D và l/t của bánh công tác đến hiệu
suất của tua bin trực giao.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
a) Ý nghĩa khoa học: Xác định được phương pháp tính toán, thiết kế tua bin trực giao,
đánh giá được ảnh hưởng của một số thông số hình học của bánh công tác đến hiệu suất của
tua bin, làm cơ sở cho việc lựa chọn mẫu bánh công tác có chất lượng cao phù hợp với điều
kiện dòng chảy thực tế.
b) Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng vào thực tế tính toán thiết kế
tua bin trực giao để lựa chọn các thông số hình học của bánh công tác như: số lá cánh, chiều

dài lá cánh, thông số đường kính và chiều cao của bánh công tác.
5. Điểm mới của luận án
- Luận án đã xây dựng, đề xuất loại tua bin trực giao có thể khai thác năng lượng dòng
1


chảy trên sông, ven biển để phát điện phục vụ nhu cầu dân sinh. Tua bin trực giao là loại tua
bin mới ở Việt Nam và là loại tua bin phù hợp nhất để khai thác các nguồn năng lượng này;
- Ứng dụng thành công phần mềm mô phỏng số Ansys-Fluent vào nghiên cứu mô
phỏng quá trình làm việc của tua bin trực giao;
- Đánh giá được ảnh hưởng của mật độ dãy cánh (l/t) và tỷ số hình học (H/D) tới đặc
tính hiệu suất của tua bin trực giao;
- Bổ sung tư liệu cho việc tính toán thiết kế chế tạo tua bin trực giao, góp phần đẩy
mạnh ứng dụng tua bin trực giao trong khai thác tiềm năng năng lượng dòng chảy trên sông,
ven biển và thủy triều
6. Cấu trúc của luận án
Nội dung chính của luận án trình bày như sau: Chương 1. Tổng quan và nhiệm vụ
nghiên cứu của luận án; Chương 2. Cơ sở lý thuyết dòng chảy qua tua bin trực giao và ảnh
hưởng của các thông số hình học bánh công tác tua bin đến hiệu suất tua bin trực giao;
Chương 3. Khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số hình học bánh công tác tua
bin đến hiệu suất tua bin trực giao bằng phần mềm mô phỏng số; Chương 4. Nghiên cứu
thực nghiệm tua bin trực giao tại hiện trường. Kết quả đạt được, bàn luận và kết luận, kiến
nghị.
Chương 1. Tổng quan và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án
1.1. Tiềm năng về năng lượng dòng chảy sông, suối, ven biển và thủy triều ở Việt
Nam
1.1.1. Tiềm năng về năng lượng dòng chảy
1.1.2. Tiềm năng về năng lượng dòng chảy thủy triều ở Việt Nam
1.1.3. Khảo sát thực tế dòng chảy ven biển Hải Phòng
1.2. Giới thiệu chung về tua bin trực giao

1.2.1. Cấu tạo của tua bin trực giao
Tuabin trực giao về cơ bản được cải tiến từ mẫu
profile cánh kiểu Darrieus, với bánh công tác dạng
lưỡi cánh thẳng và profile cánh song song với trục
tuabin.
Cấu tạo của bánh công tác tuabin trực giao gồm
các lá cánh có biên dạng profile giống nhau dọc theo
chiều dài lá cánh, được bố trí đối xứng với tâm
quay, do đó chiều quay và đặc tính làm việc (hiệu
suất) của nó không phụ thuộc vào chiều dòng chảy
và cột nước làm việc.
Tua bin trực giao có ưu điểm là cấu tạo đơn
giản, dễ chế tạo và lắp đặt, chỉ cần có bộ phận neo
giữ để đảm bảo về sự cứng vững và vận hành an
toàn, không bị phá hỏng.
Hình 1.1 Bánh công tác tua bin trực
giao
1.2.2. Ứng dụng của tua bin trực giao
Tua bin trực giao được ứng dụng để khai thác năng lượng của dòng chảy thủy triều,
2


dòng chảy trên sông, cửa cửa sông, ven biển, tại các vị trí có mặt cắt eo hẹp ven biển, trên
các kênh tưới tiêu, trên các công trình ngăn mặn, tại các tuyến đê biển.
1.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng tua bin trực giao trên thế giới và ở Việt
Nam
1.3.1. Giới thiệu chung
1.3.2. Tình hình về nghiên cứu tua bin trực giao trên thế giới
Tua bin trực giao lần đầu tiên được phát triển và sáng chế bởi một nhà phát minh người
Pháp tên là Georges Darrieus từ năm 1931 trên cơ sở một tuabin gió trục đứng. Tuy nhiên

việc ứng dụng của tua bin trực giao dùng để khai thác năng lượng dòng chảy cũng mới chỉ
được nghiên cứu trong những năm gần đây, các công trình nghiên cứu hiện nay được công
bố chưa nhiều, các kết quả được công bố chủ yếu là các sản phẩm tua bin trực giao đã được
thương mại hóa của tập đoàn New Energy Corporation (Canada).
Như vậy có thể thấy rằng, các công trình nghiên cứu về tua bin trực giao để ứng dụng,
khai thác năng lượng dòng chảy hiện nay chưa được công bố rộng rãi và chi tiết. Do đó,
phạm vi sử dụng, phương pháp tính toán về tua bin trực giao vẫn là bí quyết của từng hãng
chế tạo trên thế giới.
1.3.3. Tình hình về nghiên cứu tua bin trực giao tại Việt Nam
Ở trong nước hiện nay, đơn vị đầu tiên thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học về tua bin
trực giao để khai thác năng lượng dòng chảy thủy triều, dòng chảy ven sông, ven biển phục
vụ việc phát điện là Viện thủy điện và năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, kết quả đạt được của
đề tài ở mức độ ban đầu, chưa có sự quan tâm nhiều đến cơ sở lý thuyết tính toán loại tua
bin này.
1.4. Kết luận chương 1
Qua phân tích vấn đề tổng quan tình hình nghiên cứu và thiết kế, chế tạo, sử dụng tua
bin trực giao trên thế giới và ở Việt Nam, cho thấy, đặc tính năng lượng cũng như hiệu suất
làm việc của tua bin trực giao phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy tại vị trí lắp đặt, hình dạng
và kết cấu của bánh công tác. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu về tua bin trực giao ở trong
và ngoài nước cho thấy còn một số vấn đề tồn tại:
- Tua bin trực giao dùng để khai thác năng lượng dòng chảy là loại tua bin mới được
nghiên cứu phát triển gần đây, cho nên các công trình nghiên cứu chưa được công bố rộng
rãi nhiều, chưa có cơ sở lý thuyết tính toán đầy đủ, việc ứng dụng khai thác tua bin trực
giao vẫn còn bị hạn chế.
- Tại Việt Nam hiện nay, hầu như không có công trình nghiên cứu về tua bin trực giao,
cần có những kết quả nghiên cứu đầy đủ và toàn diện hóa để khai thác, ứng dụng được loại
tua bin này ở nước ta.
Tóm lại, tiềm năng về năng lượng dòng chảy ven sông, ven biển của nước ta là khá lớn,
trong khi đó tua bin trực giao là loại tua bin phù hợp nhất để khai thác dạng năng lượng
này. Cần chú ý đầu tư nhiều hơn cho nghiên cứu, tính toán để có cơ sở lý thuyết phục vụ

cho việc thiết kế chế tạo, xây dựng được mô hình toán và mô hình vật lý tua bin phù hợp
với điều kiện dòng chảy tại Việt Nam.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết
2.1. Lý thuyết dòng chảy qua tua bin trực giao
2.1.1. Lý thuyết tam giác vận tốc và vận tốc tới profile cánh
3


2.1.2. Hệ số vận tốc
Hệ số vận tốc λ được định nghĩa là tỷ số giữa vận tốc vòng của cánh và vận tốc dòng
chảy:
=

R
v

(2.1)

2.2. Sự trao đổi năng lượng dòng chảy khi qua bánh công tác
2.2.1. Năng lượng dòng chảy qua bánh công tác tua bin trực giao
Năng lượng của dòng chảy qua bánh công tác tua bin được xác định theo (2.2):
E=

 . AV
. 3

(2.2)

2

Công suất tua bin được xác định theo (2.3):

Hay:

 . AV
. 3 .C p
P=
2
P
Cp =
1
. . AV
. 3
2

(2.3)
(2.4)

Trong đó: A – Diện tích quét của bánh công tác, Cp – Hệ số sử dụng năng lượng dòng
chảy hay là hệ số công suất.
Hiệu suất của tua bin trực giao được xác định bằng biểu thức (2.5):
(2.5)
 = C p .TL.CK
Trong đó: TL - hiệu suất thủy lực trong chảy bao cánh dẫn, chọn TL = 0.98
CK - hiệu suất cơ khí, chọn CK = 0.97
2.2.2. Thuyết động lượng dòng chảy qua bánh công tác
Actuator disc
Theo hình 2.1, gọi các thông số ∞, a, w lần lượt
p
đặc trưng cho dòng chảy ở xa vô cùng phía trước V

V
V
p
p
bánh công tác, tới bánh công tác và phía sau khi ra
p
khỏi bánh công tác
Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có:

.A.V = .Aa.Va = .Aw.Vw
(2.6)
Với: Va = V(1-a)
(2.7)
Blade path
Thay vào biểu thức trên ta có:
A.V = (1-a).Aa.V
(2.8)
Với hệ số a được gọi là hệ số thu hẹp dòng chảy,
nó đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa bánh
Hình 2.1. Sự thay đổi áp suất và
công tác và dòng chảy qua bánh công tác
vận tốc dòng chảy khi qua bánh
Từ phương trình bảo toàn động lượng dòng chảy
công tác
qua bánh công tác:
F = (pa+ - pa-).Aa = (V - Vw)..Aa.Va
(2.9)
và phương trình Becnuli cho dòng chảy trước và sau bánh công tác:
1
..V2 + p + .g.h = Constant

(2.10)
w

w

8

8

+
a

a

a



2

1

Ta thu được: ..( V2 – Vw2).Aa = (V - Vw)..Aa.Va
2

4

(2.11)

8

tg =

Vn
Vt



(2.15)

8

Mà: Va = V(1 – a) nên ta có:
Vw = (1 – 2a).V
(2.12)
Điều này có nghĩa là vận tốc vào bánh công tác và vận tốc ở xa vô cùng sau bánh công
tác đều giảm đi một lượng a.V.
2.2.3. Góc tấn và vận tốc tương đối của dòng chảy
V ,p
Theo hình 2.2, có thể xác định được các
Vn
thành phần vận tốc theo phương tiếp tuyến
Vt và thành phần vận tốc theo phương pháp
Vt 
tuyến Vn như sau:
Va
Vt = R. + Va.cos
(2.13)
W

R.
Vn = Va.sin
(2.14)

Góc tấn  là góc hợp bởi phương vận
tốc tương đối W của dòng chảy và phương
R
vận tốc tiếp tuyến Vt hay là đường dây cung
L
D
của biên dạng cánh, được xác định:


 (1 − a).sin  

  + (1 − a).cos 

(2.16) Hình 2.2. Các thành phần vận tốc dòng chảy
qua bánh công tác
Vận tốc tương đối W của dòng chảy tới cánh bánh công tác có thể xác định được từ
biểu đồ phân tích các thành phần vận tốc trên hình 2.2, được xác định theo (2.17):
Hay: tg = 

W = V .  2 + 2.cos .(1 − a)+(1-a)2

(2.17)
Với:  là góc phương vị (góc vị trí của cánh bánh công tác khi chuyển động trong quỹ
đạo quay xung quanh trục tua bin)
2.2.4. Lực phân tố cánh và hệ số lực cản
2.2.5. Mô men và hệ số công suất

Mô men trên bánh công tác được gây ra chỉ bởi thành phần lực tiếp tuyến trên cánh
bánh công tác, xét phân tố cánh bánh công tác với số cánh đơn, có chiều cao lá cánh H và
tại vị trí góc phương vị d, khi đó mô men được xác định bởi:
dTs = l.H.q.Ct. d
(2.18)
Độ lớn mô men trên bánh công tác thay đổi theo góc phương vị . Giá trị mô men tổng
cộng được xác định khi bánh công tác quay hết một vòng (0    2) sẽ là:
2

Z .l.H .R
TB =
q.Ct d
2  =0

(2.19)

1
2

Hay: TB = ..V 2 .Z .l.H .R.(CL sin  − CD cos ).[ (  + cos .(1-a) ) + (sin  .(1 − a)) 2 ]
2

(2.20)

Hệ số mô men được xác định bởi:
Cm =

TB

(2.21)

1
. .V 2  . A.R
2

Thay phương trình (2.19) vào phương trình (2.21), thu được (2.22):
5


Z .l
Cm =
2 . .RV
. 2

2

 q.C .d

(2.22)

t

0

Khi đó, công suất trên trục tua bin được xác định theo (2.23):
P = .TB
(2.23)
Hệ số công suất Cp có thể được xác định bằng tỷ số giữa công suất thực tế P và giá trị
công suất lớn nhất Pmax như sau:
Cp =

P
P
=
Pmax 1 . .V 3 . A

2

(2.24)

Mối quan hệ giữa hệ số công suất và hệ số mô men được xác định bởi công thức:
C p = .Cm
(2.25)
Biểu thức tính công suất tua bin được xác định như sau:
2
Z .l.H .R. 1
P=
 .W 2 (CL sin  − CD cos ).d
(2.26)

2
 =0 2
P=

1
2
...V 2 .Z .l.H .R.(CL sin  − CD cos ).[ (  + cos .(1-a) ) + (sin  .(1 − a)) 2 ]
2

(2.27)

Hay:
1
l H
2
P = . ..V 2 . D 2 . . .R.(CL sin  − CD cos ).[ (  + cos .(1-a) ) + (sin  .(1 − a)) 2 ]
2
t D
D
Trong đó: t =
- bước cánh
Z

(2.28)

Tỷ số l/t – được gọi là mật độ dãy cánh
2.3. Tính toán, thiết kế bánh công tác tua bin trực giao dựa trên các kết quả
nghiên cứu lý thuyết
2.3.1. Các thông số hình học của tua bin trực giao
2.3.2. Cơ sở lựa chọn các thông số thiết kế mẫu cánh
2.3.2.1. Hệ số cứng vững σ của bánh công tác
Hệ số cứng vững của bánh công tác được định nghĩa là tỷ số giữa tổng diện tích của
cánh và diện tích quét của rotor:
l.Z .H l.Z
(2.29)
=
=
D.H

D

Trong đó: l, Z và D là chiều dài dây cung biên dạng cánh, số lá cánh và đường kính
đường tròn phân bố cánh bánh công tác tương ứng
2.3.2.2. Tiêu chuẩn số Reynolds
Các nghiên cứu về tuabin trực giao trước đây đã chỉ ra rằng hiệu suất của tuabin chịu
ảnh hưởng rất lớn bởi số Reynolds cánh bánh công tác, được tính theo công thức sau:
L .V
(2.30)
Re = c


Với: ν – Độ nhớt động học của chất lỏng công tác;
2.3.2.3. Lựa chọn các mẫu bánh công tác cần nghiên cứu
Tiến hành nghiên cứu cho 06 trường hợp với mật độ dãy cánh l/t thay đổi tương ứng
với số lá cánh Z thay đổi lần lượt là 4 cánh, 6 cánh, 8 cánh, 10 cánh, 12 cánh và 14 cánh với
̅ = H/D = 1; cùng với 05 trường hợp thay đổi hệ số tỷ lệ kích thước hình học của
tỷ lệ H
̅ = H/D lần lượt là 0.8; 0.9; 1.1; 1.2 và 1.3.
tuabin H
6


2.3.2.4. Lựa chọn biên dạng cánh bánh công tác
Biên dạng cánh NACA 0018 được lựa chọn cho các trường hợp mẫu bánh công tác
cần nghiên cứu
2.3.3. Tính toán thiết kế các mẫu bánh công tác cần nghiên cứu
2.3.3.1. Trường hợp 1: tỷ số l/t = 0.13 (Số lá cánh bánh công tác Z = 4 cánh)
2.3.3.2. Trường hợp 2: tỷ số l/t = 0.19 (Số lá cánh bánh công tác Z = 6 cánh)
2.3.3.3. Trường hợp 3: tỷ số l/t = 0.25 (Số lá cánh bánh công tác Z = 8 cánh)
2.3.3.4. Trường hợp 4: tỷ số l/t = 0.32 (Số lá cánh bánh công tác Z = 10 cánh)

2.3.3.5. Trường hợp 5: tỷ số l/t = 0.38 (Số lá cánh bánh công tác Z = 12 cánh)
2.3.3.6. Trường hợp 6: tỷ số l/t = 0.45 (Số lá cánh bánh công tác Z = 14 cánh)
2.4. Kết luận chương 2
Trong chương 2, Luận án đã trình bày cơ sở lý thuyết tính toán tua bin trực giao dùng
để khai thác năng lượng dòng chảy, phân tích và lựa chọn các thông số cơ bản có ảnh
hưởng đến hiệu suất làm việc của tua bin là tỷ số l/t và H/D để tiến hành nghiên cứu tính
toán.
Trên cơ sở lý thuyết, tác giả đã tiến hành tính toán, lựa chọn 06 mẫu bánh công tác tua
bin khác nhau với tỷ số l/t thay đổi, để tiến hành nghiên cứu sự thay đổi của các thông số
hình học này đến hiệu suất làm việc của tua bin trực giao.
Biên dạng profile cánh bánh công tác được chọn là biên dạng NACA 0018, có biên
dạng khí động học đối xứng, có hệ số lực nâng lớn cùng với lực cản bé. Đây là biên dạng
được dùng phổ biến cho tua bin trực giao dùng để khai thác năng lượng dòng chảy.
Để tiến hành nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số hình học tới hiệu suất của tua
bin, tác giả tiến hành đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số nêu trên bằng phần mềm mô
phỏng số Ansys Fluent trước khi đưa vào thiết kế, chế tạo các mẫu tua bin để thử nghiệm tại
hiện trường
Chương 3. Khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng của một số thông số bánh công tác
đến đặc tính năng lượng của tua bin bằng phần mềm Ansys Fluent
3.1 Giới thiệu về phần mềm Ansys Fluent
3.1.1 Định nghĩa về CFD
CFD - Computational Fluid Dynamics (tính toán động
lực học chất lưu có sự trợ giúp của máy tính) là một ngành
khoa học chuyên dự đoán các đặc tính của dòng chảy, truyền
nhiệt, các phản ứng hóa học bằng việc sử dụng quá trình tính
toán số để giải các phương trình toán học liên quan
3.1.2 Ưu điểm và hạn chế của CFD
3.1.3 Các lĩnh vực áp dụng CFD hiện nay
3.1.4 Giới thiệu phần mềm Ansys Fluent và Gambit
3.1.5 Cấu trúc của bộ phần mềm Ansys Fluent

3.1.6. Khả năng của Ansys Fluent
Hình 3.1. Tổng quan về mô
3.1.7 Vai trò của tạo lưới trong CFD
hình chương trình CFD
3.1.8 Chọn lựa mô hình lưới
3.1.9 Lựa chọn lựa mô hình tính toán
Mô hình k- được lựa chọn để tính toán mô phỏng, phân tích cho các trường hợp nghiên
cứu của luận án:
7


0.40

Hiệu suất
Hệ số mô men

0.30
0.20
0.10

Hiệu suất , Hệ số Cm

3.1.10 Các điều kiện biên
* Lối vào (Inlet): Các mô hình tính toán
được mô phỏng với điều kiện biên vận tốc
lối vào thay đổi trong phạm vi từ: V = 1.2 –
3.5 (m/s)
* Lối ra (Outlet): Điều kiện biên lối ra
được xác định là giá trị áp suất dư (áp suất
Outlet

tại lối ra so với áp suất tại lối vào): Pdư = 0
* Các điều kiện biên tại các mặt còn lại:
Tại các mặt còn lại, các điều kiện biên được Inlet
xác định là tường (wall), đảm bảo tính ổn
Wall
định của vùng dòng chảy qua bánh công tác Hình 3.2. Điều kiện biên mô hình bài toán
tua bin.
3.1.11. Vật liệu lưu chất
3.2 Khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng các thông số bánh công tác tua bin trực giao
bằng phần mềm Ansys Fluent
3.2.1 Xây dựng bài toán
Bài toán khảo sát ở đây là khảo sát
dòng chảy qua lưới cánh bánh công tác
tua bin cho các trường hợp bánh công tác
mô hình cần nghiên cứu.
Sau khi xây dựng được mô hình bài
toán 3D trong phần mềm Solidworks, ta
tiến hành chia lưới và khai báo cho mô
hình. Mô hình được chia lưới theo phần
tử tam giác, với các mô hình khác nhau ta
thu được các phần tử số lưới khác nhau
Hình 3.3 Mô hình chia lưới bài toán
3.2.2 Kết quả khảo sát cho các trường hợp nghiên cứu
3.2.2.1. Trường hợp 1 (TH1): l/t = 0.13

0.00
1.60

2.10

2.60
3.10
Hệ số vận tốc 

3.60

Hình 3.4. Phân bố vận tốc dòng chảy qua
Hình 3.5. Đường quan hệ  =f1() và
cánh bánh công tác tua bin với l/t = 0.13
Cm = f2() với l/t = 0.13
Kết quả tính toán, mô phỏng được thể hiện như trên hình 3.4 và 3.5. Theo hình 3.5,
8


đường quan hệ giữa  =f1() cho thấy khi vận tốc dòng chảy tăng hay hệ số vận tốc  tăng
thì hiệu suất tua bin cũng tăng theo và đạt được giá trị lớn nhất tại điểm có giá trị  = 0.312
(hay hệ số công suất Cp = 0.328) và  = 2.60, rồi sau đó giảm dần. Tương tự như vậy với
đường quan hệ giữa Cm = f2() thì khi hệ số vận tốc tăng thì hệ số mô men tăng theo và đạt
giá trị lớn nhất tại điểm Cm = 0.13,  = 2.60 rồi sau đó giảm dần
3.2.2.2. Trường hợp 2 (TH2): l/t = 0.19
Kết quả tính toán, mô phỏng được thể hiện như trên hình 3.6 và 3.7
0.40

Hiệu suất

Hiệu suất , hệ số Cm

Hệ số mô men
0.30
0.20

0.10
0.00
1.60

2.10

2.60
3.10
Hệ số vận tốc 

3.60

Hình 3.7. Đường quan hệ  =f1() và
Hình 3.6. Phân bố vận tốc dòng chảy qua
Cm = f2() với l/t = 0.19
cánh bánh công tác tua bin với l/t = 0.19
Theo hình 3.7, đường quan hệ giữa  =f1() cho thấy khi vận tốc dòng chảy tăng hay hệ
số vận tốc  tăng thì hiệu suất tua bin cũng tăng theo và đạt được giá trị lớn nhất tại điểm có
giá trị  = 0.346 (hay hệ số công suất Cp = 0.364) và  = 2.51, rồi sau đó giảm dần. Tương
tự như vậy với đường quan hệ giữa Cm = f2() thì khi hệ số vận tốc tăng thì hệ số mô men
tăng theo và đạt giá trị lớn nhất tại điểm Cm = 0.145,  = 2.51 rồi sau đó giảm dần.
3.2.2.3. Trường hợp 3 (TH3): l/t = 0.25
Kết quả tính toán, mô phỏng được thể hiện như trên hình 3.8 và 3.9
Hiệu suất , hệ số Cm

Hiệu suất
Hệ số mô men

0.40
0.30

0.20
0.10
0.00
1.00

1.50

2.00
2.50
3.00
Hệ số vận tốc 

3.50

4.00

Hình 3.9. Đường quan hệ  =f1() và
Hình 3.8. Phân bố vận tốc dòng chảy qua
Cm = f2() với l/t = 0.25
cánh bánh công tác tua bin với l/t = 0.25
Theo hình 3.9, đường quan hệ giữa  =f1() cho thấy khi vận tốc dòng chảy tăng hay hệ
số vận tốc  tăng thì hiệu suất suất tua bin  cũng tăng theo và đạt được giá trị lớn nhất tại
9


điểm có giá trị  = 0.385 (hay hệ số công suất Cp = 0.405) và  = 2.43, rồi sau đó giảm dần.
Tương tự như vậy với đường quan hệ giữa Cm = f2() thì khi hệ số vận tốc tăng thì hệ số mô
men tăng theo và đạt giá trị lớn nhất tại điểm Cm = 0.171,  = 2.2 rồi sau đó giảm dần.
3.2.2.4. Trường hợp 4 (TH4): l/t = 0.32
Tương tự như các trường hợp trên, kết quả tính toán, mô phỏng được thể hiện như trên

hình 3.10 và 3.11
0.50

Hiệu suất

Hiệu suất , hệ số Cm

Hệ số mô men

0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
0.50

1.00

1.50

2.00 2.50 3.00
Hệ số vận tốc 

3.50

4.00

Hình 3.11. Đường quan hệ  =f1() và
Hình 3.10. Phân bố vận tốc dòng chảy qua
Cm = f2() với l/t = 0.32

cánh bánh công tác tua bin với l/t = 0.32
Theo hình 3.11, đường quan hệ giữa  =f1() cho thấy khi vận tốc dòng chảy tăng hay
hệ số vận tốc  tăng thì hiệu suất tua bin  cũng tăng theo và đạt được giá trị lớn nhất tại
điểm có giá trị  = 0.418 (hay hệ số công suất Cp = 0.440) và  = 2.37, rồi sau đó giảm dần.
Tương tự như vậy với đường quan hệ giữa Cm = f2() thì khi hệ số vận tốc tăng thì hệ số mô
men tăng theo và đạt giá trị lớn nhất tại điểm Cm = 0.19,  = 2.05 rồi sau đó giảm dần.
3.2.2.5. Trường hợp 5 (TH5): l/t = 0.38
Kết quả tính toán, mô phỏng được thể hiện như trên hình 3.12 và 3.13
0.50

Hiệu suất
Hệ số mô men

Hiệu suất , hệ số Cm

0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
0.50

1.00

1.50

2.00 2.50 3.00
Hệ số vận tốc 

3.50

4.00

Hình 3.12. Phân bố vận tốc dòng chảy
Hình 3.13. Đường quan hệ  =f1() và
qua cánh bánh công tác tua bin với
Cm = f2() với l/t = 0.38
l/t = 0.38
Theo hình 3.13, đường quan hệ giữa  −  cho thấy khi vận tốc dòng chảy tăng hay hệ
số vận tốc  tăng thì hiệu suất  cũng tăng theo và đạt được giá trị lớn nhất tại điểm có giá
10


Hiệu suất , hệ số Cm

trị  = 0.40 (hay hệ số công suất Cp = 0.420) và  = 2.31, rồi sau đó giảm dần. Tương tự
như vậy với đường quan hệ giữa Cm -  thì khi hệ số vận tốc tăng thì hệ số mô men tăng
theo và đạt giá trị lớn nhất tại điểm Cm = 0.21,  = 1.90 rồi sau đó giảm dần.
3.2.2.6. Trường hợp 6 (TH6): l/t = 0.45
Tương tự như các trường hợp trên, 0.40
Hiệu suất
sau khi mô phỏng dòng chảy qua bánh
Hệ số mô men
công tác với l/t = 0.45 tại các giá trị vận 0.30
tốc dòng chảy khác nhau ta thu được đồ
thị quan hệ  = f1() và Cm = f2() như 0.20
theo hình 3.14, thể hiện đường quan hệ
giữa  −  cho thấy khi vận tốc dòng chảy 0.10
tăng hay hệ số vận tốc  tăng thì hiệu suất 0.00
 cũng tăng theo và đạt được giá trị lớn

0.20 0.70 1.20 1.70 2.20 2.70 3.20
Hệ số vận tốc 
nhất tại điểm có giá trị  = 0.371 (hay hệ
số công suất Cp = 0.39) và  = 2.29, rồi
Hình 3.14. Đường quan hệ  =f1() và
sau đó giảm dần.
Cm = f2() với l/t = 0.45
Tương tự như vậy với đường quan hệ giữa Cm -  thì khi hệ số vận tốc tăng thì hệ số mô
men tăng theo và đạt giá trị lớn nhất tại điểm Cm = 0.21,  = 1.8 rồi sau đó giảm dần
Qua 06 trường hợp khảo sát ở trên, ta thấy phân bố vận tốc dòng chảy qua các mô hình
bài toán là tương đối đều, dòng chảy không có sự đột biến, không bị đảo chiều, có hiện
tượng tạo xoáy trong vùng bánh công tác, đảm bảo cho sự chuyển động quay của bánh công
tác. Từ các kết quả tính toán, ta tiến hành tổng hợp các trường hợp lại trên đồ thị quan hệ
giữa  −  và  – l/t, thu được đồ thị tổng hợp như hình 3.15 và hình 3.16
TH1 (l/t=0.13)
TH2 (l/t=0.19)

0.40

0.40

TH3 (l/t=0.25)

Hiệu suất 

TH4 (l/t=0.32)

0.30

TH5 (l/t=0.38)

TH6 (l/t=0.45)

0.20

Hieu suat

0.43

0.10

0.37

Hiệu suất 

0.50

0.34
0.31
0.28

0.00

0.25
0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

Hệ số vận tốc 

0.05

0.15

0.25

0.35

0.45

Hệ số vận tốc 

Hình 3.16. Đường quan hệ CP =f(l/t)
Hình 3.15. Đường quan hệ  =f1() cho các
cho các trường hợp thay đổi l/t
trường hợp thay đổi tỷ số l/t
Theo hình 3.15, ta nhận thấy khi vận tốc dòng chảy tăng hay hệ số vận tốc  tăng thì
hiệu suất của các mô hình tua bin nghiên cứu tăng theo và đạt đến giá trị lớn nhất, sau đó
giảm dần.

Khi tăng tỷ lệ mật độ dãy cánh l/t thì hiệu suất của tua bin cũng tăng theo, theo kết quả
mô phỏng tính toán trong hình 3.29 thì trường hợp 4 với l/t = 0.32 (Z = 10 cánh) là trường
11


Hiệu suất , hệ số Cm

hợp tua bin làm việc với hiệu suất cao nhất tại giá trị  = 0.418 (Cp = 0.44) ứng với  = 2.37
so với các trường hợp còn lại
Để nghiên cứu sâu hơn nữa về ảnh hưởng của các thông số hình học bánh công tác đến
hiệu suất làm việc của tua bin, ta tiếp tục tiến hành nghiên cứu thêm về sự ảnh hưởng của tỷ
số hình học H/D đến hiệu suất làm việc của tua bin. Do đó, ta tiến hành nghiên cứu tiếp cho
05 trường hợp thay đổi tỷ số H/D, đó là trường hợp H/D = 0.8; D/H = 0.9; H/D = 1.1; H/D
= 1.2 và H/D= 1.3 cho trường hợp tua bin có hiệu suất làm việc cao nhất, tức là trường hợp
4, với Z = 10 cánh; l/t = 0.32.
3.2.2.7. Trường hợp 7 (TH7): Tỷ số H/D = 0.8; l/t = 0.32
Tương tự như các trường hợp trên, kết quả tính toán, mô phỏng được thể hiện như trên
hình 3.17.
Theo hình 3.17, đường quan hệ
0.50
Hiệu suất
giữa  =f1() cho thấy khi vận tốc
Hệ số mô men
0.40
dòng chảy tăng hay hệ số vận tốc 
tăng thì hiệu suất  cũng tăng theo và
0.30
đạt được giá trị lớn nhất tại điểm có
0.20
giá trị  = 0.407 (hay hệ số công suất

Cp = 0.428) và  = 2.24, rồi sau đó
0.10
giảm dần. Tương tự như vậy với
đường quan hệ giữa Cm = f2() thì khi
0.00
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50
hệ số vận tốc tăng thì hệ số mô men
Hệ số vận tốc 
tăng theo và đạt giá trị lớn nhất tại
điểm Cm = 0.20,  = 1.91 rồi sau đó Hình 3.17. Đường quan hệ  =f1() và Cm = f2()
giảm dần
với H/D = 0.8
3.2.2.8. Trường hợp 8 (TH8): Tỷ số H/D = 0.9; l/t = 0.32
Tiếp tục tiến hành tính toán mô phỏng với trường hợp H/D = 0.9, kết quả tính toán được
thể hiện như trên hình 3.18 và 3.19
0.50
0.40

Hiệu suất , hệ số Cm

Hiệu suất
Hệ số mô men

0.30
0.20
0.10
0.00
0.50

1.00

1.50

2.00 2.50 3.00
Hệ số vận tốc 

3.50

Hình 3.18. Phân bố vận tốc dòng chảy qua
Hình 3.19. Đường quan hệ  =f1() và
cánh bánh công tác tua bin với
Cm = f2() với H/D = 0.9
H/D = 0.9
Theo hình 3.19, đường quan hệ giữa  =f1() cho thấy khi vận tốc dòng chảy tăng hay
hệ số vận tốc  tăng thì hiệu suất  cũng tăng theo và đạt được giá trị lớn nhất tại điểm có
giá trị  = 0.414 (hay hệ số công suất Cp = 0.435) và  = 2.31, rồi sau đó giảm dần. Tương
12


tự như vậy với đường quan hệ giữa Cm = f2() thì khi tỷ số vận tốc tăng thì hệ số mô men
tăng theo và đạt giá trị lớn nhất tại điểm Cm = 0.20,  = 1.98 rồi sau đó giảm dần
3.2.2.9. Trường hợp 9 (TH9): Tỷ số H/D = 1.1; l/t = 0.32
Tiếp tục tiến hành tính toán mô phỏng với trường hợp H/D = 1.1, kết quả tính toán được
thể hiện như trên hình 3.20 và 3.21
0.50
0.40

Hiệu suất , hệ số Cm

Hiệu suất

Hệ số mô men

0.30
0.20
0.10
0.00
0.50

1.00

1.50

2.00 2.50 3.00
Hệ số vận tốc 

3.50

Hình 3.20. Phân bố vận tốc dòng chảy qua
Hình 3.21. Đường quan hệ  =f1() và
cánh bánh công tác tua bin với
Cm = f2() với H/D = 1.1
H/D = 1.1
Theo hình 3.21, đường quan hệ giữa  =f1() cho thấy khi vận tốc dòng chảy tăng hay
hệ số vận tốc  tăng thì hiệu suất  cũng tăng theo và đạt được giá trị lớn nhất tại điểm có
giá trị  = 0.413 (hay hệ số công suất Cp = 0.434) và  = 2.50, rồi sau đó giảm dần. Tương
tự như vậy với đường quan hệ giữa Cm = f2() thì khi tỷ số vận tốc tăng thì hệ số mô men
tăng theo và đạt giá trị lớn nhất tại điểm Cm = 0.18,  = 2.14 rồi sau đó giảm dần.
3.2.2.10. Trường hợp 10 (TH10): Tỷ số H/D = 1.2; l/t = 0.32
Tiếp tục tiến hành tính toán mô phỏng với trường hợp H/D = 1.2, kết quả tính toán được
thể hiện như trên hình 3.22 và 3.23

0.50
0.40

Hiệu suất , hệ số Cm

Hiệu suất
Hệ số mô men

0.30
0.20
0.10
0.00
0.50

1.00

1.50

2.00
2.50
Hệ số vận tốc 

3.00

3.50

Hình 3.22. Phân bố vận tốc dòng chảy
Hình 3.23. Đường quan hệ  =f1() và
qua cánh bánh công tác tua bin với
Cm = f2() với H/D = 1.2

H/D = 1.2
Theo hình 3.23, đường quan hệ giữa  =f1() cho thấy khi vận tốc dòng chảy tăng hay
hệ số vận tốc  tăng thì hiệu suất  cũng tăng theo và đạt được giá trị lớn nhất tại điểm có
giá trị  = 0.406 (hay hệ số công suất Cp = 0.427) và  = 2.56, rồi sau đó giảm dần. Tương
13


tự như vậy với đường quan hệ giữa Cm = f2() thì khi tỷ số vận tốc tăng thì hệ số mô men
tăng theo và đạt giá trị lớn nhất tại điểm Cm = 0.174,  = 2.20 rồi sau đó giảm dần.
3.2.2.11. Trường hợp 11 (TH11): Tỷ số H/D = 1.3; l/t = 0.32
Tiếp tục tiến hành tính toán mô phỏng với trường hợp H/D = 1.3, kết quả tính toán được
thể hiện như trên hình 3.24 và 3.25
0.50
0.40

Hiệu suất , hệ số Cm

Hiệu suất
Hệ số mô men

0.30
0.20
0.10
0.00
1.00

1.50

2.00
2.50

3.00
Hệ số vận tốc 

3.50

4.00

Hình 3.24. Phân bố vận tốc dòng chảy
Hình 3.25. Đường quan hệ  =f1() và
qua cánh bánh công tác tua bin với
H/D = 1.3
Cm = f2() với H/D = 1.3
Theo hình 3.25, đường quan hệ giữa  =f1() cho thấy khi vận tốc dòng chảy tăng hay
hệ số vận tốc  tăng thì hiệu suất  cũng tăng theo và đạt được giá trị lớn nhất tại điểm có
giá trị  = 0.40 (hay hệ số công suất Cp = 0.421) và  = 2.71, rồi sau đó giảm dần. Tương tự
như vậy với đường quan hệ giữa Cm = f2() thì khi tỷ số vận tốc tăng thì hệ số mô men tăng
theo và đạt giá trị lớn nhất tại điểm Cm = 0.163,  = 2.32 rồi sau đó giảm dần.
Như vậy sau khi mô phỏng tính toán cho các trường hợp thay đổi tỷ lệ hình học H/D
của bánh công tác, ta tiến hành tổng hợp trên các đồ thị quan hệ  − ,  – H/D như hình
3.26 và 3.27, để tiến hành đánh giá lựa chọn mẫu bánh công tác có đặc tính hiệu suất làm
việc tốt nhất
0.50

TH4 (H/D=1)
TH7 (H/D=0.8)

0.40

TH8 (H/D=0.9)
TH9 (H/D=1.1)

Hiệu suất 

0.30

TH10 (H/D=1.2)
TH11 (H/D=1.3)

0.20
0.10
0.00
0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

Hệ số vận tốc 

Hình 3.26. Đường quan hệ giữa  =f1() cho các mô hình thay đổi tỷ số H/D; l/t = 0.32
Theo hình 3.50, ta nhận thấy khi vận tốc dòng chảy tăng hay hệ số vận tốc  tăng thì hệ
số công suất Cp hay hiệu suất của các trường hợp nghiên cứu tăng theo và đạt đến giá trị lớn
14


Hiệu suất 

nhất, sau đó giảm dần. Căn cứ vào các giá trị hiệu suất lớn nhất (hiệu suất đỉnh) của các
trường hợp nghiên cứu, ta tiến hành xây dựng đường cong quan hệ giữa hiệu suất đỉnh và
hệ số vận tốc (max - ) cho các trường hợp nghiên cứu H/D thay đổi, ta thu được đồ thị như
trên hình 3.27.
Căn cứ vào hình 3.27, ta thấy
0.43
Hieu suat
trường hợp 4(l/t = 0.32; H/D = 1) là
0.42
trường hợp tua bin làm việc với hiệu
0.41
suất cao nhất tại giá trị  = 0.418
(Cp = 0.44),  = 2.37 so với 05
0.40
trường hợp còn lại là H/D = 0.8;
0.39
H/D = 0.9; H/D = 1.1; H/D = 1.2 và
0.38
H/D = 1.3 trong cùng điều kiện dải
vận tốc dòng chảy nghiên cứu V =
0.37

1.2 – 3.5 m/s. Ta thấy rằng, khi tỷ số
0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40
H/D thay đổi sẽ ảnh hưởng đến sự
Tỷ số H/D
làm việc ổn định của tua bin.
Hình 3.27. Đường quan hệ giữa  =f(H/D) cho các
mô hình thay đổi tỷ số H/D ứng với l/t = 0.32
Trường hợp 4 (H/D = 1) là trường hợp tua bin làm việc ổn định nhất, năng lượng dòng
chảy truyền cho bánh công tác là tốt nhất, tua bin làm việc với hiệu suất cao nhất
3.3 Kết luận chương 3
Việc sử dụng phần mềm Ansys-Fluent để tính toán, mô phỏng dòng chảy qua bánh
công tác tua bin trực giao là hoàn toàn phù hợp, đây là phần mềm đã và đang được dùng
phổ biến để tính toán mô phỏng động lực học dòng chảy nói chung. Các kết quả tính toán
có độ tin cậy và chấp nhận được.
Trên cơ sở các mẫu bánh công tác tua bin đã được tính toán thiết kế theo cơ sở lý thuyết
ở chương 2, tiến hành tính toán mô phỏng cho 11 trường hợp, trong đó: 06 trường hợp thay
đổi tỷ số l/t và 05 trường hợp thay đổi tỷ số hình học H/D của bánh công tác trong cùng
điều kiện vận tốc dòng chảy V = 1.2 – 3.5 m/s. Kết quả tính toán mô phỏng cho thấy:
- Khi vận tốc dòng chảy tăng hay hệ số vận tốc  tăng thì hệ số công suất Cp hay hiệu
suất của các mẫu tua bin nghiên cứu tăng theo và đạt đến giá trị lớn nhất, sau đó
giảm dần;
- Khi thay đổi mật độ dãy cánh l/t cho 06 trường hợp nghiên cứu, kết quả tính toán
mô phỏng cho thấy, mẫu bánh công tác có mật độ dãy cánh l/t = 0.32 (Z = 10 cánh)
có hiệu suất làm việc cao nhất so với các mẫu còn lại trong cùng điều kiện vận tốc
dòng chảy;
- Khi thay đổi tỷ số hình học H/D với mật độ dãy cánh l/t = 0.32 cho 05 trường hợp
nghiên cứu, kết quả tính toán mô phỏng cho thấy, mẫu bánh công tác có tỷ số hình
học H/D = 1 có hiệu suất làm việc cao nhất so với các mẫu còn lại trong cùng điều
kiện vận tốc dòng chảy;
- Căn cứ vào các kết quả tính toán mô phỏng, ta lựa chọn một số mẫu điển hình để

tiến hành gia công chế tạo các mẫu này và đưa đi lắp đặt thực tế tại hiện trường để
tiến hành đo đạc thực nghiệm, kết quả đo được là cơ sở đánh giá hiệu suất làm việc
thực tế của tua bin. Ta lựa chọn 05 mẫu bánh công tác để chế tạo phục vụ quá trình
đo thực nghiệm tại hiện trường đó là các mẫu: Mẫu 1: l/t = 0.13 (Z = 4 cánh); Mẫu
15


2: l/t = 0.19 (Z = 6 cánh); Mẫu 3: l/t = 0.25 (Z = 8 cánh); Mẫu 4: l/t = 0.32 (Z = 10
cánh); Mẫu 5: l/t = 0.38 (Z = 12 cánh)

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm tua bin trực giao
Tiến hành chế tạo 05 mẫu bánh công tác tua bin với các thông số như sau:
- Mẫu 1: l/t = 0.13 (Z = 4 cánh)
- Mẫu 2: l/t = 0.19 (Z = 6 cánh)
- Mẫu 3: l/t = 0.25 (Z = 8 cánh)
- Mẫu 4: l/t = 0.32 (Z = 10 cánh)
- Mẫu 5: l/t = 0.38 (Z = 12 cánh);
Từ các mẫu bánh công tác này ta tiến hành lắp đặt và đo đạc các số liệu thực nghiệm.
Sau khi có được các thông số đo, ta xây dựng các đường đặc tính quan hệ để đánh giá hiệu
suất làm việc của các mẫu tua bin thực nghiệm, từ đó ta có thể so sánh lựa chọn được mẫu
tua bin có đặc tính làm việc tốt nhất.
4.1. Quy trình đo thực nghiệm tua bin trực giao
4.1.1. Mẫu tua bin trực giao thực nghiệm
4.1.2. Mô tả chung
Sau khi có các mẫu tua bin trực
giao, tiến hành việc lắp đặt tua bin
để tiến hành đo thí nghiệm. Các
mẫu tua bin được lắp đặt tại hồ Tai
Kéo – Cát Bà – Hải Phòng. Trong
quá trình thí nghiệm, tiến hành đo

đạc tại các giá trị vận tốc dòng
chảy khác nhau để xác định được
các thông số làm việc của tua bin ở
các chế độ khác nhau, từ các số
liệu thí nghiệm đo được đó, tiến
hành xây dựng nên các đường quan
hệ mô tả đặc tính hiệu suất của các
mẫu tuabin trực giao
Công việc lắp đặt tua bin là
một công việc đòi hỏi sự chính xác, Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo thí nghiệm tua
an toàn cao khi thi công
bin

Hình 4.3. Lắp đặt thiết bị đo để tiến hành đo
đạc thí nghiệm

Hình 4.2. Lắp đặt tua bin để tiến hành đo
đạc thí nghiệm
16


4.1.3. Các hạng mục và thiết bị trong hệ thống
4.2 Phương pháp đo thực nghiệm tua bin
4.2.1 Số liệu đo thực nghiệm
4.2.2 Quá trình đo
4.2.3 Xử lý dữ liệu thí nghiệm
4.2.4. Xác định sai số đo
4.3 Kết quả thực nghiệm
4.3.1. Mẫu 1: l/t = 0.13 (Z = 4 cánh)
Với mẫu bánh công tác thực nghiệm có l/t = 0.13 (Z = 4 cánh), kết quả đo đạc thực

nghiệm được trình bày như trên bảng 4.1 và hình 4.6
Bảng 4.1. Các thông số đo thực nghiệm cho mẫu bánh công tác với l/t = 0.13 (Z = 4 cánh)
Vận tốc
dòng chảy

V(m/s)

1.2

1.5

2

2.2

2.5

2.7

3

3.2

3.5

Hệ số vận
tốc

 = R/V

2.07

2.20

2.36

2.52

2.69

2.84

2.98

3.08

3.12

Vận tốc góc

w (Rad/s)

4.97

6.61

9.44

11.09

13.45

15.33

17.89

19.68

21.87

Số vòng
quay

n (v/ph)

47.5

63.1

90.2

106.0

128.5

146.5

171.0

188.0

208.9

Mô men

TB (N.m)

21.75

46.64

106.01

142.89

190.19

208.06

230.19

239.59

271.32

Công suất
trên trục

P (W)

108.05

308.10

1000.52

1584.71

2557.97

3190.08

4118.79

4715.74

5932.96

Điện áp

U (V)

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

Cường độ
dòng điện

I (A)

0.56

1.60

5.20

8.24

13.30

16.58

21.41

24.52

30.84

Hệ số công
suất

CP

0.123

0.179

0.245

0.292

0.321

0.318

0.299

0.282

0.271

 (%)

0.117

0.170

0.233

0.277

0.305

0.302

0.284

0.268

0.258

Từ các kết quả đo được theo
bảng 4.1 ta tiến hành xây dựng
đường đặc tính quan hệ giữa -
cho trường hợp lý thuyết mô phỏng
và đo thực nghiệm để đánh giá đặc
tính làm việc của tua bin như trên
hình 4.4
Theo kết quả thực nghiệm ta
thấy hiệu suất lớn nhất của tua bin
đạt giá trị  = 0.305 ứng với giá trị
hệ số vận tốc  = 2.69

0.40

Mau 1: l/t=0.13 (Z=4)

0.35

Mau 1_TN: l/t=0.13 (Z=4)

0.30

Hiệu suất 

Hiệu suất
tua bin

0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
1.80

2.10

2.40
2.70
Hệ số vận tốc 

3.00

3.30

Hình 4.4. Đường đặc tính thực nghiệm và đường đặc
tính lý thuyết mô phỏng cho trường hợp l/t = 0.13
(Z = 4 cánh)
17


4.3.2. Mẫu 2: l/t = 0.19 (Z = 6 cánh)
Với mẫu bánh công tác thực nghiệm có l/t = 0.19 (Z = 6 cánh), kết quả đo đạc thực
nghiệm được trình bày như trên bảng 4.2 và hình 4.5
Bảng 4.2. Các thông số đo thực nghiệm cho mẫu bánh công tác với l/t = 0.19 (Z = 6 cánh)
Vận tốc
dòng chảy

V(m/s)

1.2

1.5

2

2.2

2.5

2.7

3

3.2

3.5

Hệ số vận
tốc

 = R/V

1.75

1.95

2.16

2.37

2.58

2.82

2.91

3.03

3.18

Vận tốc
góc

w (Rad/s)

4.21

5.84

8.66

10.41

12.89

15.22

17.46

19.38

22.29

Số vòng
quay

n (v/ph)

40.2

55.8

82.7

99.5

123.2

145.4

166.8

185.1

212.9

Mô men

TB (N.m)

26.11

54.34

121.78

168.93

220.22

225.69

257.47

262.84

267.01

Công suất
trên trục

P (W)

109.95

317.62

1054.03

1759.26

2839.71

3434.13

4494.98

5093.60

5950.60

Điện áp

U (V)

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

Cường độ
dòng điện

I (A)

0.57

1.65

5.48

9.15

14.76

17.85

23.37

26.48

30.93

Hệ số công
suất

CP

0.125

0.185

0.258

0.324

0.356

0.342

0.326

0.305

0.272

 (%)

0.119

0.175

0.246

0.308

0.34

0.325

0.310

0.290

0.259

Từ các kết quả đo được theo
bảng 4.2 ta tiến hành xây dựng
đường đặc tính quan hệ giữa −
cho trường hợp lý thuyết mô phỏng
và đo thực nghiệm để đánh giá đặc

tính làm việc của tua bin như trên
hình 4.5
Theo kết quả thực nghiệm ta
thấy hiệu suất lớn nhất của tua bin
đạt giá trị  = 0.34 ứng với giá trị
hệ số vận tốc  = 2.58

0.40

Mau 2: l/t=0.19 (Z=6)

0.35

Mau 2_TN: l/t=0.19 (Z=6)

0.30

Hiệu suất 

Hiệu suất
tua bin

0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
1.50

1.80

2.10
2.40
2.70
Hệ số vận tốc 

3.00

3.30

Hình 4.5. Đường đặc tính thực nghiệm và đường đặc
tính lý thuyết mô phỏng cho trường hợp l/t = 0.19
(Z = 6 cánh)
4.3.3. Mẫu 3: l/t = 0.25 (Z = 8 cánh)
Với mẫu bánh công tác thực nghiệm có l/t = 0.25 (Z = 8 cánh), kết quả đo đạc thực
nghiệm được trình bày như trên bảng 4.3 và hình 4.6
Bảng 4.3. Các thông số đo thực nghiệm cho mẫu bánh công tác với l/t = 0.25 (Z = 8 cánh)
Vận tốc dòng
chảy

V(m/s)

1.2

1.5

2

2.2

2.5

2.7

3

3.2

3.5

Hệ số vận tốc

 = R/V

1.45

1.59

1.81

2.14

2.48

2.83

3.10

3.22

3.39

18


Vận tốc góc

w (Rad/s)

3.48

4.77

7.26

9.43

12.40

15.26

18.61

20.64

23.73

Số vòng quay

n (v/ph)

33.2

45.5

69.3

90.1

118.5

145.8

177.8

197.2

226.7

Mô men

TB (N.m)

29.55

61.10

135.83

198.87

251.72

245.38

241.17

240.63

228.15

Công suất
trên trục

P (W)

102.80

291.14

985.88

1874.58

3122.13

3743.42

4488.64

4965.86

5414.61

Điện áp

U (V)

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

Cường độ
dòng điện

I (A)

0.53

1.51

5.13

9.75

16.23

19.46

23.33

25.82

28.15

Hệ số công
suất

CP

0.117

0.169

0.242

0.345

0.392

0.373

0.326

0.297

0.248

 (%)

0.111

0.161

0.230

0.328

0.372

0.354

0.310

0.282

0.235

3.00

3.50

Từ các kết quả đo được theo
bảng 4.3 ta tiến hành xây dựng
đường đặc tính quan hệ giữa −
cho trường hợp lý thuyết mô
phỏng và đo thực nghiệm để đánh
giá đặc tính làm việc của tua bin
như trên hình 4.6
Theo kết quả thực nghiệm ta
thấy hiệu suất lớn nhất của tua
bin đạt giá trị  = 0.372 ứng với
giá trị hệ số vận tốc  = 2.48

0.45

Mau 3: l/t=0.25 (Z=8)
Mau 3_TN: l/t=0.25 (Z=8)

0.35

Hiệu suất 

Hiệu suất tua
bin

0.25
0.15
0.05
1.00

1.50

2.00
2.50
Hệ số vận tốc 

Hình 4.6. Đường đặc tính thực nghiệm và đường đặc
tính lý thuyết mô phỏng cho trường hợp l/t = 0.25
(Z = 8 cánh)
4.3.4. Mẫu 4: l/t = 0.32 (Z = 10 cánh)
Với mẫu bánh công tác thực nghiệm có l/t = 0.32 (Z = 10 cánh), kết quả đo đạc thực
nghiệm được trình bày như trên bảng 4.4 và hình 4.7
Bảng 4.4. Các thông số đo thực nghiệm cho mẫu bánh công tác với l/t = 0.32 (Z = 10 cánh)
Vận tốc
dòng chảy

V(m/s)

1.2

1.5

2

2.2

2.5

2.7

3

3.2

3.5

Hệ số vận
tốc

 = R/V

1.19

1.42

1.71

2.08

2.40

2.78

3.04

3.18

3.38

Vận tốc
góc

w (Rad/s)

2.86

4.27

6.83

9.14

12.02

15.01

18.25

20.38

23.63

Số vòng
quay

n (v/ph)

27.3

40.8

65.2

87.3

114.8

143.4

174.4

194.7

225.8

Mô men

TB (N.m)

34.31

74.83

158.42

224.95

278.97

261.64

256.78

251.21

238.06

Công suất
trên trục

P (W)

98.09

319.30

1081.21

2055.85

3351.98

3926.95

4686.48

5118.89

5626.12

Điện áp

U (V)

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

19

Cường độ
dòng điện

I (A)

0.51

1.66

5.62

10.69

17.43

20.41

24.36

26.61

29.25

Hệ số công
suất

CP

0.111

0.186

0.265

0.379

0.421

0.391

0.340

0.306

0.257

 (%)

0.1058

0.176

0.252

0.360

0.400

0.372

0.324

0.291

0.245

Từ các kết quả đo được theo bảng
4.4 ta tiến hành xây dựng đường đặc
tính quan hệ giữa − cho trường
hợp lý thuyết mô phỏng và đo thực
nghiệm để đánh giá đặc tính làm việc
của tua bin như trên hình 4.7
Theo kết quả thực nghiệm ta thấy
hiệu suất lớn nhất của tua bin đạt giá
trị  = 0.40 ứng với giá trị hệ số vận
tốc  = 2.40

0.45

Mau 4: l/t=0.32 (Z=10)
Mau 4_TN: l/t=0.32 (Z=10)

0.35

Hiệu suất 

Hiệu suất
tua bin

0.25

0.15
0.05
0.50

1.00

1.50

2.00
2.50
Hệ số vận tốc 

3.00

3.50

Hình 4.7. Đường đặc tính thực nghiệm và đường
đặc tính lý thuyết mô phỏng cho trường hợp
l/t = 0.32 (Z = 10 cánh)
4.3.5. Mẫu 5: l/t = 0.38 (Z = 12 cánh)
Với mẫu bánh công tác thực nghiệm có l/t = 0.38 (Z = 12 cánh), kết quả đo đạc thực
nghiệm được trình bày như trên bảng 4.5 và hình 4.8
Bảng 4.5. Các thông số đo thực nghiệm cho mẫu bánh công tác với l/t = 0.38 (Z = 12 cánh)
Vận tốc
dòng chảy

V(m/s)

1.2

1.5

2

2.2

2.5

2.7

3

3.2

3.5

Hệ số vận
tốc

 = R/V

0.96

1.22

1.51

1.93

2.34

2.63

2.82

2.92

3.14

Vận tốc
góc

w (Rad/s)

2.30

3.65

6.04

8.51

11.72

14.18

16.92

18.68

22.01

Số vòng
quay

n (v/ph)

22.0

34.9

57.7

81.3

112

135.5

161.7

178.5

210

Mô men

TB (N.m)

44.31

90.87

185.79

250.82

276.94

256.28

256.37

253.62

205.66

Công suất
trên trục

P (W)

101.86

331.58

1122.81

2134.94

3246.47

3635.21

4338.32

4738.60

4525.68

Điện áp

U (V)

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

224.00

Cường độ
dòng điện

I (A)

0.53

1.72

5.84

11.10

16.88

18.90

22.55

24.63

23.53

Hệ số công
suất

CP

0.116

0.193

0.275

0.393

0.407

0.362

0.315

0.284

0.207

 (%)

0.11

0.183

0.262

0.374

0.387

0.344

0.299

0.270

0.197

Hiệu suất
tua bin

20


0.45

Mau 5: l/t=0.38 (Z=12)
Mau 5_TN: l/t=0.38 (Z=12)

0.35

0.25

0.15

0.05
0.50

1.00

1.50

2.00
2.50
Hệ số vận tốc 

3.00

3.50

Hình 4.8. Đường đặc tính thực nghiệm và đường đặc
tính lý thuyết mô phỏng cho trường hợp l/t = 0.38
(Z = 12 cánh)

Mau 1_TN: l/t=0.13 (Z=4)
Mau 2_TN: l/t=0.19 (Z=6)
Mau 3_TN: l/t=0.25 (Z=8)
Mau 4_TN: l/t=0.32 (Z=10)
Mau 5_TN: l/t=0.38 (Z=12)

0.35

Hiệu suất 

0.45

Hiệu suất 

Từ các kết quả đo được theo
bảng 4.5 ta tiến hành xây dựng

đường đặc tính quan hệ giữa -
cho trường hợp lý thuyết mô
phỏng và đo thực nghiệm như hình
4.8
Theo kết quả thực nghiệm ta
thấy hiệu suất lớn nhất của tua bin
đạt giá trị  = 0.387 ứng với giá trị
tỷ số vận tốc  = 2.34
Từ các kết quả đo đạc thực
nghiệm, ta tiến hành tổng hợp các
trường hợp đo thực nghiệm lại trên
đồ thị quan hệ  = f1(), ta thu
được đồ thị tổng hợp như trên hình
4.9

0.25

0.15

0.05
0.50

1.00

1.50

2.00
Hệ số vận tốc 

2.50

3.00

3.50

Hình 4.9. Đường quan hệ giữa  -  cho các trường hợp nghiên cứu thực nghiệm
Từ hình 4.9, căn cứ vào các các kết quả đo đạc thực nghiệm ta thấy rằng trường hợp mẫu
bánh công tác có l/t = 0.32 (Z = 10 cánh); H/D = 1 là trường hợp mẫu cánh có đặc tính năng
lượng tốt nhất, hiệu suất làm việc cao nhất so với các mẫu cánh còn lại trong cùng điều kiện
vận tốc dòng chảy. Giá trị hiệu suất lớn nhất của tua bin là  = 0.40.
Tóm lại:
Sau khi phân tích các kết quả thu được bằng thực nghiệm, ta nhận thấy kết quả thu được
bằng mô phỏng lý thuyết cũng giống như kết quả thu được bằng thực nghiệm, tức là mẫu
bánh công tác có l/t = 0.32 (Z = 10 cánh) và H/D = 1 là mẫu cánh có hiệu suất làm việc cao
nhất so với các mẫu cánh còn lại được nghiên cứu trong cùng một dải điều kiện vận tốc
dòng chảy V = 1.2 – 3.5 m/s. Tuy nhiên giữa kết quả tính toán mô phỏng lý thuyết và kết
quả đạt được từ thực nghiệm có sự sai khác, lý giải cho sự sai khác này là do trong điều
kiện thực nghiệm, độ chính xác của kết quả đo đạc các thông số kỹ thuật phụ thuộc vào
nhiều yếu tố: sai số trong quá trình chế tạo sản phẩm, sai số do thiết đo, sai số trình độ vận
21


hành, xử lý số liệu của cán bộ đo…, tuy nhiên, sự sai khác này không nhiều (<5%), chính vì
vậy, có thể nói rằng, các kết quả này là tương đồng nhau
4.4. Kết luận chương 4
Trong chương 4, luận án đã tiến hành thực nghiệm đo đạc trên một số mẫu tua bin tại
thực tế hiện trường với các thiết bị hiện đại, độ chính xác cao.
Thông qua thực nghiệm, luận án đã xác định được các thông số kỹ thuật của tua bin trực
giao, kiểm chứng được sự ảnh hưởng của việc thay đổi mật độ dãy cánh l/t của bánh công
tác đến hiệu suất làm việc của tua bin trực giao.

Căn cứ vào các thông số đo thực nghiệm cho 05 mẫu bánh công tác với mật độ dãy cánh
l/t khác nhau, kết quả chỉ ra rằng mẫu bánh công tác có l/t = 0.32 là mẫu có hiệu suất làm
việc cao nhất so với các mẫu còn lại trong cùng điều kiện dòng chảy thực tế thay đổi trong
phạm vi V = 1.2 – 3.5 m/s.
So sánh kết quả đo đạc thu được từ quá trình thực nghiệm, cho thấy, giữa kết quả tính
toán mô phỏng lý thuyết và kết quả thực nghiệm không có sự sai khác nhiều. Như vậy các
kết quả tính toán lý thuyết là hoàn toàn tin cậy và có thể đáp ứng được yêu cầu về tính toán,
thiết kế tua bin trực giao, từ đó ta có cơ sở để lựa chọn được mẫu tua bin phù hợp nhất, đảm
bảo hiệu suất làm việc của tua bin là lớn nhất trong điều kiện cụ thể của dòng chảy tại khu
vực nghiên cứu. Điều này có ý nghĩa lớn trong nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, bởi vì, nó cho
phép người thiết kế tính toán, lựa chọn được các thông số kỹ thuật của tua bin trực giao phù
hợp với điều kiện dòng chảy, nhằm giảm thiểu những thiệt hại trong quá trình sản xuất so
với điều kiện không tính toán trước được hiệu suất của tua bin trực giao.
4.5. Kết quả và bình luận
Luận án đã thực hiện một cách đầy đủ, từ nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng đến việc đo
đạc thực nghiệm trên các mẫu nghiên cứu. Thông qua cơ sở lý thuyết để nghiên cứu, tìm
hiểu bản chất vật lý, đặc tính năng lượng của dòng chảy qua bánh công tác tua bin trực giao
và tiến hành đo đạc thực nghiệm để kiểm chứng độ chính xác của các kết quả nghiên cứu có
được.
Từ các kết quả đạt được trong quá trình tính toán mô phỏng lý thuyết và đo đạc thực
nghiệm ta thấy rằng khi thay đổi mật độ dãy cánh l/t và tỷ số hình học H/D thì đặc tính hiệu
suất của tua bin cũng thay đổi theo. Khi tăng mật độ dãy cánh l/t thì hiệu suất tua bin cũng
tăng theo và đạt tới giá trị lớn nhất và sau đó giảm dần, điều này có thể chứng minh được
rằng khi tăng mật độ dãy cánh l/t hay tăng số lá cánh Z, khi đó độ cứng vững của bánh công
tác tăng lên, tua bin làm việc ổn định hơn, mô men truyền vào bánh công tác đều hơn, năng
lượng dòng chảy truyền cho bánh công tác được nhiều hơn. Tuy nhiên khi tăng mật độ dãy
cánh l/t hay là số lá cánh tăng lên thì khả năng thoát của tua bin là kém đi, tốc độ quay của
tua bin giảm đi, độ lớn của mô men cản tăng lên, ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của tua
bin. Khi thay đổi tỷ số H/D, ảnh hưởng đến độ làm việc ổn định của tua bin, hiệu suất của
tua bin cũng thay đổi theo. Kết quả đã đưa ra được mẫu bánh công tác tua bin trực giao có

hiệu suất cao nhất với mật độ dãy cánh l/t = 0.32 (Z = 10) và tỷ số hình học H/D = 1 trong
điều kiện vận tốc dòng chảy từ: V = 1.2 – 3.5 (m/s).
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã lựa chọn được mẫu cánh có hệ số công suất là C P=
0.421 (hay hiệu suất  = 0.4). Kết quả này cao hơn so với các kết quả nghiên cứu trên thế
giới với hệ số công suất vào khoảng CP= 0.37.
Như vậy, thông qua kết quả thu được từ tính toán lý thuyết, mô phỏng và bằng đo đạc
22