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

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

HÀ NỘI - 2018


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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS. TS Nguyễn Thế Mịch.
2. TS. Đỗ Huy Cương

HÀ NỘI - 2018


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận án tiến sỹ, tôi rất may mắn và vinh dự nhận được sự hướng dẫn,
chỉ bảo tận tình của hai nhà khoa học là GS. TS. Nguyễn Thế Mịch và TS. Đỗ Huy Cương.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ có hiệu quả của hai thày.
Tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến các thày, cô trong Bộ môn Máy và tự động thủy
khí, Viện cơ khí động lực, trường đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến tập thể lãnh đạo, anh em nhân viên kỹ thuật, công
nhân của Viện thủy điện và năng lượng tái tạo đã giúp đỡ tận tình trong quá trình thực hiện
luận án và có nhiều góp ý, hỗ trợ rất quý báu về thiết kế, chế tạo cũng như thử nghiệm các
máy mẫu trong luận án tiến sỹ của tôi.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến ông, bà, bố mẹ, anh em trong gia
đình tôi, đặc biệt là người vợ và con trai yêu quý của tôi đã nhẫn nại, chịu nhiều khó khăn,
thiệt thòi luôn luôn bên cạnh tôi để động viên, khuyến khích cho tôi vượt qua mọi khó
khăn để hoàn thành luận án tiến sỹ này.

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Quốc Tuấn


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án tiến sỹ này là của riêng tôi. Các kết quả, số liệu của luận án
là trung thực và chưa được ai công bố trên bất kỳ tài liệu nào.
Hà Nội, ngày

tháng

Người hướng dẫn khoa học

Nghiên cứu sinh

GS. TS. Nguyễn Thế Mịch

Nguyễn Quốc Tuấn

TS. Đỗ Huy Cương

i

năm 2018


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
n - Số vòng quay quay tua bin (v/ph)
nmf – Số vòng quay máy phát điện (v/ph)
i – Tỷ số truyền (không thứ nguyên)
Z - Số lá cánh bánh công tác của tua bin
P - Công suất trên trục tua bin (kW)
Ptm – Công suất định mức của tổ máy (kW)
S – Số tổ máy (tổ)
PB – Công suất trên một cánh bánh công tác (kW)
η - Hiệu suất tua bin (%)
ηmf - Hiệu suất máy phát (%)
ηol - Hiệu suất ổ lăn (%)
ηck - Hiệu suất cơ khí (%)
ρ - Khối lượng riêng chất lỏng (kg/m3)

g - Gia tốc trọng trường (m/s2)
 - Độ nhớt động học của chất lỏng công tác (m2/s)
Vmax – Vận tốc dòng chảy lớn nhất (m/s)
Vtt – Vận tốc dòng chảy tính toán (m/s)
Vmin – Vận tốc dòng chảy nhỏ nhất (m/s)
V - Vận tốc dòng chảy trước bánh công tác (m/s)
Va - Vận tốc dòng chảy tại bánh công tác (m/s)
Vw – Vận tốc dòng chảy sau khi ra khỏi bánh công tác (m/s)
Pa+ - Áp suất mặt trước lá cánh bánh công tác (N/m2)
Pa- - Áp suất mặt sáu lá cánh bánh công tác (N/m2)
Vn – Thành phần vận tốc pháp tuyến với profile cánh (m/s)
Vt – Thành phần vận tốc tiếp tuyến với profile cánh (m/s)
u – Vận tốc vòng (m/s)
W – Vận tốc tương đối (m/s)
D - Đường kính bánh công tác (m)
R – Bán kính bánh công tác (m)
H - Chiều cao bánh công tác (m)

ii


A – Diện tích quét bánh công tác tua bin (m2)
Z – Số lá cánh bánh công tác
U – Hiệu điện thế (V)
I - Dòng điện (A)
 - Góc tấn của cánh - Góc tạo bởi véc to vận tốc tới và duờng dây cung biên dạng
cánh (độ)
λ - Hệ số vận tốc (không thứ nguyên)
a – Hệ số thu hẹp dòng chảy (không thứ nguyên)
 - Vận tốc góc (Rad/s).

 - Góc phương vị của cánh (độ)
a - Hệ số thu hẹp dòng chảy (không thứ nguyên)
m – Khối lượng chất lỏng qua bánh công tác trong một đơn vị thời gian (kg/s)
l - Ðộ dài của profile lá cánh bánh công tác tua bin (m)
t – Bước cánh (m)
CP – Hệ số công suất tua bin (không thứ nguyên).
CL - Hệ số lực nâng (không thứ nguyên).
CD - Hệ số lực cản (không thứ nguyên).
Cn – Hệ số thành phần lực theo phương pháp tuyến
Ct – Hệ số thành phần lực theo phương tiếp tuyến
Fn – Thành phần lực theo phương pháp tuyến (N)
Ft – Thành phần lực theo phương tiếp tuyến (N)
dN – Thành phần lực pháp tuyến tác dụng lên một phân tố cánh (N)
dT – Thành phần lực tiếp tuyến tác dụng lên một phân tố cánh (N)
Lp - Lực nâng trên cánh (N)
FD – Lực cản trên cánh (N)
TB - Mô men của bánh công tác (N.m)
Cm – Hệ số mô men bánh công tác (không thứ nguyên)
 - Hệ số cứng vững cánh bánh công tác (không thứ nguyên)
b - Chiều dày của profile lá cánh bánh công tác tua bin (m)
Re – Số Reynolds (không thứ nguyên)
Sh – Số Strouhal (không thứ nguyên)

iii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
TT

Nội dung các bảng biểu

Trang

1

Bảng 1.1. Vận tốc dòng chảy tại vị trí điểm A

9

2

Bảng 1.2. Vận tốc dòng chảy tại vị trí điểm B

10

3

Bảng 1.3. Vận tốc dòng chảy tại vị trí điểm C

11

4

Bảng 1.4. Vận tốc dòng chảy tại vị trí điểm D

12

5

Bảng 1.5. Vận tốc dòng chảy tại vị trí điểm E

13

6

Bảng 1.6. Bảng các giá trị Cpmax và Cpmax của các trường hợp nghiên cứu

19

7

Bảng 1.7. Bảng tổng hợp các loại tua bin trực giao của hãng New Energy
Corporation

21

8

Bảng 2.1. Tọa độ biên dạng cánh NACA 0018

35

9

Bảng 2.2. Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật bánh công tác tua bin với
l/t = 0.13

38

10

Bảng 2.3. Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật bánh công tác tua bin với
l/t = 0.19

39

11

Bảng 2.4. Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật bánh công tác tua bin với
l/t = 0.25

39

12

Bảng 2.5. Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật bánh công tác tua bin với
l/t = 0.32

40

13

Bảng 2.6. Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật bánh công tác tua bin với
l/t = 0.38

40

14

Bảng 2.7. Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật bánh công tác tua bin với

l/t = 0.45

41

15

Bảng 3.1. Kết quả mô phỏng cho trường hợp l/t = 0.13 với dải vận tốc dòng chảy
thay đổi

54

16

Bảng 3.2. Kết quả mô phỏng cho trường hợp l/t = 0.19 với dải vận tốc dòng chảy
thay đổi

57

17

Bảng 3.3. Kết quả mô phỏng cho trường hợp l/t = 0.25 với dải vận tốc dòng chảy
thay đổi

61

18

Bảng 3.4. Kết quả mô phỏng cho trường hợp l/t = 0.32 với dải vận tốc dòng chảy
thay đổi

64

19

Bảng 3.5. Kết quả mô phỏng cho trường hợp l/t = 0.38 với dải vận tốc dòng chảy
thay đổi

68

20

Bảng 3.6. Kết quả mô phỏng cho trường hợp l/t = 0.45 với dải vận tốc dòng chảy
thay đổi

70

21

Bảng 3.7. Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật bánh công tác tua bin với
H/D = 0.8

73

iv


22

Bảng 3.8. Kết quả mô phỏng cho trường hợp H/D = 0.8 với dải vận tốc dòng
chảy thay đổi

74

23

Bảng 3.9. Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật bánh công tác tua bin với
H/D = 0.9

76

24

Bảng 3.10. Kết quả mô phỏng cho trường hợp H/D = 0.9 với dải vận tốc dòng
chảy thay đổi

78

25

Bảng 3.11. Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật bánh công tác tua bin với
H/D = 1.1

79

26

Bảng 3.12. Kết quả mô phỏng cho trường hợp H/D = 1.1 với dải vận tốc dòng
chảy thay đổi

82

27

Bảng 3.13. Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật bánh công tác tua bin với
H/D = 1.2

83

28

Bảng 3.14. Kết quả mô phỏng cho trường hợp H/D = 1.2 với dải vận tốc dòng
chảy thay đổi

86

29

Bảng 3.15. Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật bánh công tác tua bin với
H/D = 1.3

87

30

Bảng 3.16. Kết quả mô phỏng cho trường hợp H/D = 1.3 với dải vận tốc dòng
chảy thay đổi

89

31

Bảng 4.1. Các thông số đo thực nghiệm cho mẫu bánh công tác với l/t = 0.13
(Z = 4 cánh)

100

32

Bảng 4.2. Các thông số đo thực nghiệm cho mẫu bánh công tác với l/t = 0.19
(Z = 6 cánh)

101

33

Bảng 4.3. Các thông số đo thực nghiệm cho mẫu bánh công tác với l/t = 0.25
(Z = 8 cánh)

102

34

Bảng 4.4. Các thông số đo thực nghiệm cho mẫu bánh công tác với l/t = 0.32
(Z = 10 cánh)

104

35

Bảng 4.5. Các thông số đo thực nghiệm cho mẫu bánh công tác với l/t = 0.38

(Z = 12 cánh)

105

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
TT

Nội dung các hình và đồ thị

Trang

1

Hình 1.1. Bản đồ bở biển Việt Nam

4

2

Hình 1.2. Hệ thống cửa sông đổ ra biển, hệ thống vũng, vịnh ven biển Hải
Phòng, Quảng Ninh

5

3

Hình 1.3. Hệ thống cửa sông ven biển khu vực Quảng Nam

5

4

Hình 1.4. Hệ thống cửa sông ven biển khu vực Vũng Tàu

6

5

Hình 1.5. Hệ thống cửa sông ven biển khu vực Trà Vinh

6

6

Hình 1.6. Trường dòng chảy trên Biển Đông và ven bờ Việt Nam

7

7

Hình 1.7. Khảo sát dòng chảy tại khu vực bến Việt Hải

8

8

Hình 1.8. Khảo sát dòng chảy tại khu vực hòn Tùng Gấu

11

9

Hình 1.9. Khảo sát dòng chảy tại khu vực hòn Tai Kéo

13

10

Hình 1.10. Cấu tạo tua bin trực giao

15

11

Hình 1.11. Cấu tạo tổ máy tua bin trực giao có 3 tầng bánh công tác

15

12

Hình 1.12. Lắp đặt tua bin trực giao trên kênh thủy lợi tưới tiêu

16

13

Hình 1.13. Lắp đặt tua bin trực giao tại cửa xả của hệ thống nước xả thải khu

công nghiệp

16

14

Hình 1.14. Lắp đặt tua bin trực giao khai thác năng lượng dòng chảy tại cửa biển

16

15

Hình 1.15. Lắp đặt tua bin trực giao dưới gầm cầu để khai thác năng lượng dòng
chảy

16

16

Hình 1.16. Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa hệ số công suất Cp và hệ số vận tốc


18

17

Hình 1.17. Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa Cp và vận tốc gió ứng với các giá trị
H/D

20

18

Hình 1.18. Hai mẫu tua bin trực giao của hãng New Energy Corporation với
công suất 5kW và 10kW

20

18

Hình 1.19. Lắp đặt tua bin trực giao trên sông Yukon, Alaska, Mỹ

21

19

Hình 2.1. Nguyên lý làm việc của tua bin trực giao

24

20

Hình 2.2. Tam giác vận tốc dòng chảy qua bánh công tác tua bin trực giao

25

vi


21

Hình 2.3. Vận tốc và góc tới phụ thuộc vào hệ số vận tốc

25

22

Hình 2.4. Sự thay đổi áp suất và vận tốc dòng chảy khi qua bánh công tác

26

23

Hình 2.5. Các thành phần vận tốc dòng chảy qua bánh công tác

28

24

Hình 2.6. Hệ số các lực thành phần theo phương pháp tuyến và phương tiếp
tuyến

29

25

Hình 2.7. Các thông số hình học bánh công tác tua bin trực giao

33

26

Hình 2.8. Biên dạng cánh NACA 0018

35

27

Hình 2.9. Đường quan hệ giữa hệ số công suất và tỷ số vận tốc của tua bin trực
giao

36

28

Hình 2.10. Đồ thị quan hệ giữa hệ số lực nâng CL và hệ số lực cản CD vào góc
tấn 

38

29

Hình 3.1. Tổng quan về mô hình chương trình CFD

42

30

Hình 3.2. Cấu trúc của bộ phần mềm Ansys Fluent

44

31

Hình 3.3. Sơ đồ các bước áp dung phần mềm Ansys Fluent

44

32

Hình 3.4. Điều kiện biên mô hình bài toán

51

33

Hình 3.5 Mô hình chia lưới bài toán

52

34

Hình 3.6. Phân bố vận tốc dòng chảy qua bánh công tác có l/t = 0.13 với trường
hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.13, tỷ số vận tốc  = 2.6

53

35

Hình 3.7. Phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt phẳng cắt qua cánh bánh công tác

tua bin có l/t = 0.13

53

36

Hình 3.8. Phân bố vận tốc qua từng profile cánh bánh công tác với l/t = 0.13

55

37

Hình 3.9. Đường quan hệ  =f1() và Cm = f2() với l/t = 0.13

55

38

Hình 3.10. Phân bố vận tốc dòng chảy qua bánh công tác có l/t = 0.19 với trường
hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.145, tỷ số vận tốc  = 2.51

56

39

Hình 3.11. Phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt phẳng cắt qua cánh bánh công tác
tua bin có l/t = 0.19

56

40

Hình 3.12. Phân bố vận tốc qua từng profile cánh bánh công tác với l/t = 0.19

56

41

Hình 3.13. Đường quan hệ  =f1() và Cm = f2() với l/t = 0.19

58

42

Hình 3.14. Phân bố vận tốc dòng chảy qua bánh công tác có l/t = 0.25 với trường
hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.171, tỷ số vận tốc  = 2.10

59

vii


43

Hình 3.15. Phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt phẳng cắt qua cánh bánh công tác
tua bin có l/t = 0.25

59

44

Hình 3.16. Phân bố vận tốc qua từng profile cánh bánh công tác với l/t = 0.25

60

45

Hình 3.17. Đường quan hệ  =f1() và Cm = f2() với l/t = 0.25

62

46

Hình 3.18. Phân bố vận tốc dòng chảy qua bánh công tác có l/t = 0.32 với trường
hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.19, tỷ số vận tốc  = 2.05

62

47

Hình 3.19. Phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt phẳng qua cánh bánh công tác tua
bin có l/t = 0.32

62

48

Hình 3.20. Phân bố vận tốc qua từng profile cánh bánh công tác với l/t = 0.32

64

49

Hình 3.21. Đường quan hệ  =f1() và Cm = f2() với l/t = 0.32

65

50

Hình 3.22. Phân bố vận tốc dòng chảy qua bánh công tác có l/t = 0.38 với trường
hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.21, tỷ số vận tốc  = 1.9

65

51

Hình 3.23. Phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt phẳng qua cánh bánh công tác tua
bin có l/t = 0.38

66

52

Hình 3.24. Phân bố vận tốc qua từng profile cánh bánh công tác với l/t = 0.38

68

53

Hình 3.25. Đường quan hệ  =f1() và Cm = f2() với l/t = 0.38

69

54

Hình 3.26. Phân bố vận tốc qua profile cánh bánh công tác với l/t = 0.45 với
trường hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.21, tỷ số vận tốc  = 1.80

70

55

Hình 3.27. Đường quan hệ  =f1() và Cm = f2() với l/t = 0.45

71

56

Hình 3.28. Đường quan hệ  =f1() cho các trường hợp thay đổi tỷ số l/t với
H/D = 1

72

57

Hình 3.29. Đường quan hệ  =f(l/t) cho các trường hợp thay đổi tỷ số l/t với
H/D = 1

72

58

Hình 3.30. Phân bố vận tốc dòng chảy qua bánh công tác có H/D = 0.8 với
trường hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.2, tỷ số vận tốc  = 1.91

73

59

Hình 3.31. Phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt phẳng qua cánh bánh công tác tua
bin có H/D=0.8

73

60

Hình 3.32. Phân bố vận tốc qua các profile cánh bánh công tác với H/D = 0.8

74

61

Hình 3.33. Đường quan hệ  = f1() và Cm = f2() với H/D = 0.8

75

62

Hình 3.34. Phân bố vận tốc dòng chảy qua bánh công tác có H/D = 0.9 với
trường hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.2, tỷ số vận tốc  = 1.98

76

63

Hình 3.35. Phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt phẳng qua cánh bánh công tác tua
bin có H/D = 0.9

77

viii


64

Hình 3.36. Phân bố vận tốc qua từng profile cánh bánh công tác với H/D = 0.9

78

65

Hình 3.37. Đường quan hệ  =f1() và Cm = f2() với H/D = 0.9

79

66

Hình 3.38. Phân bố vận tốc dòng chảy qua bánh công tác có H/D = 1.1 với
trường hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.18, tỷ số vận tốc  = 2.14

80

67

Hình 3.39. Phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt phẳng qua cánh bánh công tác tua
bin có H/D = 1.1

81

68

Hình 3.40. Phân bố vận tốc qua từng profile cánh bánh công tác với H/D = 1.1

82

69

Hình 3.41. Đường quan hệ  =f1() và Cm = f2() với H/D = 1.1

83

70

Hình 3.42. Phân bố vận tốc dòng chảy qua bánh công tác có H/D = 1.2 với
trường hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.17, tỷ số vận tốc  = 2.20

84

71

Hình 3.43. Phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt phẳng qua cánh bánh công tác tua
bin có H/D = 1.2

84

72

Hình 3.44. Phân bố vận tốc qua từng profile cánh bánh công tác với H/D=1.2

85

73

Hình 3.45. Đường quan hệ  =f1() và Cm = f2() với H/D = 1.2

86

74

Hình 3.46. Phân bố vận tốc dòng chảy qua bánh công tác có H/D = 1.3 với
trường hợp hệ số mô men lớn nhất Cm = 0.16, hệ số vận tốc  = 2.32

87

75

Hình 3.47. Phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt phẳng qua cánh bánh công tác tua
bin có H/D = 1.3

88

76

Hình 3.48. Phân bố vận tốc qua từng profile cánh bánh công tác với H/D = 1.3

89

77

Hình 3.49. Đường quan hệ  =f1() và Cm = f2() với H/D = 1.3

90

78

Hình 3.50. Đường quan hệ giữa  =f1() cho các mẫu bánh công tác thay đổi tỷ
số H/D; l/t = 0.32

91

79

Hình 3.51. Đường quan hệ giữa  =f(H/D) cho các mẫu bánh công tác thay đổi tỷ
số H/D ứng với mật độ dãy cánh l/t = 0.32

91

80

Hình 4.1. Bản vẽ lắp tua bin trực giao thực nghiệm

93

81

Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo thí nghiệm tua bin

94

82

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

95

83

Hình 4.4. Bộ hiển thị thiết bị đo

95

84

Hình 4.5. Sơ đồ hệ thống đo và xử lý số liệu

97

85

Hình 4.6. Đường đặc tính thực nghiệm và đường đặc tính lý thuyết mô phỏng

cho trường hợp l/t = 0.13 (Z = 4 cánh)

101

ix


86

Hình 4.7. Đường đặc tính thực nghiệm và đường đặc tính lý thuyết mô phỏng
cho trường hợp l/t = 0.19 (Z = 6 cánh)

102

87

Hình 4.8. Đường đặc tính thực nghiệm và đường đặc tính lý thuyết mô phỏng
cho trường hợp l/t = 0.25 (Z = 8 cánh)

103

88

Hình 4.9. Đường đặc tính thực nghiệm và đường đặc tính lý thuyết mô phỏng
cho trường hợp l/t = 0.32 (Z = 10 cánh)

104

89

Hình 4.10. Đường đặc tính thực nghiệm và đường đặc tính lý thuyết mô phỏng
cho trường hợp l/t = 0.38 (Z = 12 cánh)

105

90

Hình 4.11. Đường quan hệ giữa  -  cho các trường hợp nghiên cứu thực
nghiệm

106

x


MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Lời mở đầu ............................................................................................................................. 1
Chương 1. Tổng quan............................................................................................................ 4
1.1. Tiềm năng về năng lượng dòng chảy sông, suối, ven biển và thủy triều ở Việt
Nam. ........................................................................................................................................ 4
1.2. Giới thiệu chung về tua bin trực giao ................................................................... 14
1.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng tua bin trực giao trên thế giới và ở Việt
Nam ......................................................................................................................................... 16
1.4. Nội dung và phương pháp nghiên cứu .................................................................. 22
1.5. Kết luận chương 1 ................................................................................................. 22
Chương 2. Cơ sở lý thuyết .................................................................................................... 24
2.1. Lý thuyết dòng chảy qua tua bin trực giao. .......................................................... 24

2.2. Sự trao đổi năng lượng dòng chảy khi qua bánh công tác .................................... 25
2.3. Tính toán, thiết kế bánh công tác tua bin trực giao dựa trên các kết quả nghiên
cứu lý thuyết ............................................................................................................................ 32
2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................................. 41
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.......................... 42
3.1. Giới thiệu về phần mềm Ansys Fluent ................................................................. 42
3.2. Khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng các thông số bánh công tác tua bin trực giao
bằng phần mềm Ansys Fluent ................................................................................................. 51
3.2.1. Xây dựng bài toán .............................................................................................. 51
3.2.2. Kết quả khảo sát cho các trường hợp nghiên cứu .............................................. 53
3.3. Kết luận chương 3 ................................................................................................ 92
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm mô hình tua bin trực giao ....................................... 93
4.1. Quy trình đo thực nghiệm tua bin trực giao ..................................................................... 93
4.1.1. Mẫu tua bin trực giao thực nghiệm .................................................................... 93
4.1.2. Mô tả chung ....................................................................................................... 94
4.1.3. Các hạng mục và thiết bị trong hệ thống ………………………………....…....96
4.2. Phương pháp đo thực nghiệm tua bin ............................................................................... 97
4.2.1. Số liệu đo thực nghiệm ...................................................................................... 97
4.2.2. Quá trình đo ....................................................................................................... 97
4.2.3. Xử lý dữ liệu thí nghiệm .................................................................................... 98
4.2.4. Xác định sai số đo .............................................................................................. 98
4.3. Kết quả thực nghiệm ........................................................................................................ 100
4.3.1. Mẫu 1: l/t = 0.13 (Z = 4 cánh) ........................................................................... 100
4.3.2. Mẫu 2: l/t = 0.19 (Z = 6 cánh) ........................................................................... 101
4.3.3. Mẫu 3: l/t = 0.25 (Z = 8 cánh) ........................................................................... 102
4.3.4. Mẫu 4: l/t = 0.32 (Z = 10 cánh) ......................................................................... 103
4.3.5. Mẫu 5: l/t = 0.38 (Z = 12 cánh) ......................................................................... 105
4.4. Kết luận chương 4 ............................................................................................................ 107
4.5. Kết quả và bình luận ......................................................................................................... 107

xi


Kết luận và kiến nghị ............................................................................................................ 110
Tài liệu tham khảo
Danh mục các công trình đã công bố của luận án
Phụ lục

xii


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.
Đại dương, sông biển là một trong những nguồn năng lượng tái tạo vô cùng dồi dào.
Những nguồn năng lượng của sông biển đang được nhiều nước trên thế giới nghiên cứu sử
dụng để phát điện là: năng lượng dòng chảy ven sông, ven biển, tại các cửa sông, cửa biển,
dòng chảy thủy triều. Ở nước ta, tiềm năng về các nguồn năng lượng này là rất lớn, ngoài
ra có thể khai thác năng lượng dòng chảy tại các hệ thống vũng, vịnh ven biển.
Những năm gần đây, trên thế giới đã nghiên cứu và ứng dụng phát triển loại tua bin
trực giao để khai thác năng lượng dòng chảy ven biển, năng lượng thủy triều phục vụ phát
điện. Loại tua bin này có ưu điểm là kết cấu đơn giản, nguyên lý hoạt động chủ yếu dựa
vào động năng của dòng chảy và không phụ thuộc vào chiều của dòng chảy. Do đó, nó rất
phù hợp để khai thác năng lượng dòng chảy ven biển, tại các cửa sông, cửa biển và năng

lượng thủy triều.
Ở Việt Nam, tua bin trực giao là loại sản phẩm mới, do đó có rất ít tài liệu kỹ thuật
cũng như công trình nghiên cứu về loại tua bin này. Với mong muốn đưa ra được mẫu tua
bin trực giao phù hợp với điều kiện dòng chảy thực tế, phục vụ cho việc lựa chọn tua bin,
thiết kế chế tạo bánh công tác tua bin, 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” với phương pháp nghiên cứu lý
thuyết kết hợp chạy phần mềm mô phỏng và mẫu tua bin thực được tiến hành đo đạc thực
nghiệm sẽ là những kết quả quan trọng về việc nghiên cứu loại tua bin mới này. Các kết
quả nghiên cứu có thể dùng làm tài liệu phục vụ cho giảng dạy, thiết kế và lựa chọn loại
tua bin trực giao phục vụ khai thác năng lượng dòng chảy ven biển, năng lượng thủy triều,
đồng thời là cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn về các loại tua bin trực giao sau này.
2. Mục tiêu của đề tài
a) Về lý luận
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.
b) Về thực tiễn
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.

1


3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Tiềm năng về năng lượng dòng chảy trên sông, ven biển ở Việt Nam là tương đối
lớn. Tua bin trực giao là thiết bị thủy lực khai thác hiệu quả loại năng lượng dòng chảy
này. Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam vẫn rất ít nghiên cứu, phát triển và ứng dụng tua bin
trực giao. Phạm vi nghiên cứu của luận án là 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.
4. Ý nghĩa khoa học
a) Về lý thuyết
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) Về 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.
- Tua bin trực giao có thể lắp cho các công trình thủy điện với công suất nhỏ để có
được nguồn năng lượng điện tái tạo thông qua việc sử dụng dòng chảy ở ven sông, ven
biển, cửa sông, thủy triều và các dòng chảy tại các kênh mương dẫn nước trong thủy lợi.
Tiềm năng từ nguồn năng lượng tái tạo này ở Việt nam là rất lớn, do vậy, tính khả thi ứng
dụng các tổ máy tua bin trực giao vào thực tiễn là rất cao với số lượng đáng kể.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là kết hợp nghiên cứu tính toán lý thuyết với
mô phỏng toán học và thực nghiệm vật lý, cụ thể như sau:
- Sử dụng phương pháp khảo sát thực tế, thu thập thông tin, kế thừa các kết quả
nghiên cứu của thế giới, hợp tác với các cá nhân và tập thể chuyên ngành về thiết bị thủy
điện ở trong và ngoài nước, lựa chọn được đối tượng nghiên cứu của đề tài là tua bin trực
giao trục đứng, công suất nhỏ;
- Sử dụng phần mềm Ansys-Fluent để khảo sát, mô phỏng mô hình toán với các mẫu
bánh công tác khác nhau, trên cơ sở đó, lựa chọn phương án kết cấu tối ưu cho tua bin trực
giao của đề tài;
- Kết hợp chặt chẽ giữa tính toán lý thuyết với mô hình toán và thử nghiệm mô hình
vật lý trong điều kiện thực tế ở hiện trường.
6. Điểm mới của luận án
- Luận án đã xây dựng, đề xuất loại tua bin trực giao có thể khai thác năng lượng

dòng 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;
2


- 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.
7. Cấu trúc của luận án
Nội dung chính của luận án gồm Lời mở đầu và 4 chương:
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

3


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
Việt Nam có diện tích 331.698 km2 [9], với đường bờ biển dài hơn 3670 km [5] và
lượng mưa trung bình khoảng 1.940 mm/năm [1] như theo Hình 1.1. Ngoài ra, Việt Nam
có khoảng 3.000 hòn đảo lớn nhỏ [11,7] với tổng diện tích biển trên 1 triệu km2 [13]. Tính
trung bình, cứ khoảng 100 km2 đất liền thì có 1km đường bờ biển (tỷ lệ này cao gấp 6 lần
so với mức trung bình của thế giới)

Hình 1.1. Bản đồ bờ biển Việt Nam

Vùng biển Việt Nam là một vùng biển hở, chịu tác động mạnh mẽ của gió mùa, kéo
theo là dòng chảy mạnh theo hướng đông bắc và đông nam [10], cho nên, khả năng tận
dụng năng lượng dòng chảy biển về lâu dài là rất quan trọng, đặc biệt, ở khu vực ven biển,
tại các cửa sông, cửa biển. Ngoài ra, theo thống kê Việt Nam có khoảng 392 con sông [4]
và cứ khoảng 23 Km dọc theo bờ biển thì lại có một cửa sông đổ ra biển. Ước tính tổng
cộng Việt Nam có khoảng 114 cửa sông, lạch [12] hàng năm đổ ra biển khoảng 880 tỷ m3
nước [11].
Dọc theo chiều dài vùng biển nước ta, có nhiều các cửa sông đổ ra biển, các hệ thống
vũng vịnh ven biển tạo nên nhiều vị trí có dòng chảy đi qua có địa hình co hẹp.
4


Hình 1.2. Hệ thống cửa sông đổ ra biển, hệ thống vũng, vịnh ven biển Hải Phòng, Quảng Ninh

Tại khu vực ven biển Hải Phòng và Quảng Ninh, tập trung rất nhiều các cửa sông,
cửa lạch đổ ra biển, các hệ thống vũng, vịnh, tạo nên các đoạn eo hẹp mà tại đó, vận tốc
dòng chảy tăng lên đáng kể. Tại các khu vực này, có thể khai thác được năng lượng dòng
chảy ven biển như trên hình 1.2.
Ngoài ra, theo kết quả khảo sát thủy văn, tại các vùng ven bờ và tại các cửa sông, cửa
biển khu vực Hải Phòng - Quảng Ninh có trị số biên độ thủy triều ở đây khá lớn khoảng
4m [8] nên vận tốc dòng chảy ở đây cũng lớn và có thể khai thác được năng lượng dòng

chảy để phát điện.

Hình 1.3. Hệ thống cửa sông ven biển khu vực Quảng Nam

5


Khu vực ven biển Quảng Nam có rất nhiều nhánh sông đổ ra biển như hình 1.3. Hệ
thống các cửa sông ra biển tập trung chủ yếu ở khu vực biển Cửa Đại, cửa sông Thu Bồn.
Riêng hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn có tổng lưu lượng dòng chảy ở khu vực hạ lưu là
12,834.109 m3 [3]. Với lưu lượng dòng chảy như vậy, kết hợp với hệ thống cửa sông đổ ra
biển, cho nên tại các khu vực này, có thể khai thác, sử dụng được năng lượng dòng chảy.

Hình 1.4. Hệ thống cửa sông ven biển khu vực Vũng Tàu

Mật độ các cửa sông, các đoạn eo hẹp tập trung rất nhiều tại khu vực ven biển Vũng
Tàu như trên hình 1.4. Theo kết quả đo đạc, biên độ triều tại đây khá lớn, khoảng 3m 4m[6], do đó vận tốc dòng chảy tự nhiên tại khu vực ven bờ và khu vực cửa sông, cửa biển
cũng rất lớn, có thể khai thác được năng lượng dòng chảy tại đây để phát điện.

Hình 1.5. Hệ thống cửa sông ven biển khu vực Trà Vinh

Qua khảo sát, khu vực ven biển khu vực Trà Vinh tập trung nhiều các cửa sông ra
biển như trên hình 1.5, do biên độ triều ở khu vực này cũng tương đối lớn, khoảng 1.5m 6


4m [6] nên vận tốc dòng chảy tại khu vực này cao, có thể khai thác để phát điện. Tiềm
năng về năng lượng dòng chảy tại các cửa sông, cửa biển và các khu vực ven biển ở nước
ta là tương đối lớn, có thể khai thác các nguồn năng lượng này để phát điện.
Mạng lưới các dòng sông của nước ta được phân bố suốt dọc chiều dài đất nước. Tại
khu vực Hải Phòng, Theo Báo cáo khảo sát thủy văn đợt 2 thuộc Dự án Nghiên cứu giải

pháp cho tàu trọng tải lớn ra, vào các bến cảng khu vực Hải Phòng năm 2013 của Công ty
Tư vấn xây dựng công trình hàng hải, các giá trị vận tốc của dòng chảy tại ngã ba kênh Hà
Nam được thể hiện như trên bảng PL3.8; PL3.9; PL3.10; PL3.11. Các giá trị này được đo
tại điều kiện dòng chảy bình thường, không tính đến điều kiện mùa mưa, lũ.
Có thể thấy rằng, mạng lưới dòng sông, suối ở nước ta có mật độ tương đối dầy.
Hàng năm các dòng sông, suối này đổ ra biển một lượng nước rất lớn. Tại các khu vực cửa
sông, khi khối nước sông và khối nước biển hoà nhập dưới sự tương tác của dòng triều và
dòng nước lớn, nước bị dồn ép ở pha triều lên và khi triều rút có sự cộng hưởng của dòng
triêù và dòng nước sông nên tốc độ dòng chảy tại các cửa sông là rất lớn. Tại các vị trí này
ta có thể lắp đặt tua bin trực giao để khai thác năng lượng dòng chảy tại đây.
1.1.2. Tiềm năng về năng lượng dòng chảy thủy triều ở Việt Nam
Thủy triều ở Việt Nam nhìn chung, có dao động mức nước triều thuộc loại trung
bình, so với một số nơi trên thế giới (độ lớn thuỷ triều của nhiều nước khoảng 6  7m trở
lên). Tuy nhiên, chúng ta có nhiều hệ thống vũng, vịnh ven biển có thể tận dụng để khai
thác năng lượng dòng chảy thuỷ triều.
Độ lớn năng lượng thủy triều ở nước ta phân bố theo quy luật giảm dần từ phía Bắc
(tức là từ khu vực Hải Phòng, Quảng Ninh) đến khu vực Thừa Thiên Huế là giảm đến cực
tiểu, sau đó lại tăng dần vào miền Nam, và đạt cực đại ở Bà Rịa – Vũng Tàu. Trên hình 1.6
thể hiện trường phân bố dòng chảy trên Biển Đông và ven bờ Việt Nam.

Hình 1.6. Trường dòng chảy trên Biển Đông và ven bờ Việt Nam

Có khoảng 22 điểm được dự tính mực nước triều, trong đó có 1 trạm ở khu vực phía
Bắc là trạm Hòn Dấu (Hải Phòng), khu vực miền Đông Nam bộ có 5 trạm là Vũng Tàu,
Phú An, Nhà Bè, Thủ Dầu Một và Biên Hòa cùng 16 trạm trong các cửa sông và trong
7


sông thuộc khu vực miền Tây Nam bộ là An Thuận, Bến Lức, Bến Trại, Bình Đại, Cần
Thơ, Chợ Lách, Đại Ngãi, Gành Hào, Hòa Bình, Mỹ Hóa, Mỹ Thanh, Mỹ Tho, Mỹ Thuận,

Trà Vinh, Vàm Kênh và Tân An.
Các thông số đo chi tiết của một số trạm điển hình được thể hiện tại các bảng triều
PL 3.1; PL 3.2; PL 3.3; PL 3.4; PL 3.5; PL 3.6 và PL 3.7 trong phần Phụ lục do Viện kỹ
thuật biển và do Tổng cục biển và hải đảo Việt Nam công bố.
1.1.3. Khảo sát thực tế dòng chảy ven biển Hải Phòng
Như đã trình bày ở trên, khu vực vùng biển Hải Phòng có nhiều tiềm năng để khai
thác năng lượng dòng chảy sông, suối, dòng chảy ven biển. Trong khoảng thời gian từ
ngày 30/10/2015 đến ngày 03/11/2015 (tức ngày 18/9/2015 đến ngày 22/9/2015 Âm lịch),
nhóm khảo sát của Viện Thủy điện và năng lượng tái tạo đã tiến hành khảo sát thực tế
dòng chảy tại 03 khu vực ven quần đảo Cát Bà – Hải Phòng, cụ thể là: Khu vực bến Việt
Hải, khu vực Hòn Tùng Gấu và khu vực Hòn Tai Kéo
1.1.2.1. Khu vực bến Việt Hải
Tại khu vực bến Việt Hải, nhóm khảo sát tiến hành đo đạc tại 02 vị trí có địa hình co
hẹp là A và B như được thể hiện trên bản đồ hình 1.7. Tọa độ của 2 vị trí A và B được xác
định là:
Điểm A:

20°46'59.7"N 107°03'53.7"E

Điểm B:

20°46'57.5"N 107°04'21.9"E

Sau khi tiến hành khảo sát, đo đạc, nhóm khảo sát thu được bảng số liệu về vận tốc
dòng chảy qua 02 vị trí A và B như theo bảng 1.1 và bảng 1.2

Hình 1.7. Khảo sát dòng chảy tại khu vực bến Việt Hải

8

Bảng 1.1. Vận tốc dòng chảy tại vị trí điểm A

STT

T (s)

U (m/s)

1

0,00

0,00

2

1.800

0,40

3

3.600

0,79

4

5.400

1,17

5

7.200

1,54

6

9.000

1,87

7

10.800

2,17

8

12.600

2,44

9

14.400

2,66

10

16.200

2,84

11

18.000

2,98

12

19.800

3,05

13

21.600

3,08

14

23.400

3,06

15

25.200

2,98

16

27.000

2,85

17

28.800

2,67

18

30.600

2,45

19

32.400

2,19

20

34.200

1,89

21

36.000

1,55

22

37.800

1,19

23

39.600

0,81

24

41.400

0,42

25

43.200

0,02

Vận tốc trung bình

1,89

Qua bảng thống kê khảo sát (bảng 1.1) ta thấy, vận tốc trung bình của dòng chảy tại
vị trí A là 1,89 (m/s). Ta tiến hành đo 25 lần, mỗi lần cách nhau 30 (ph), tổng cộng thời

9


gian đo là 12 (h) và số thời gian có vận tốc dòng chảy lớn hơn 2 m/s là 6,5 (h). Như vậy,
nếu đo 24 (h) thì sẽ có khoảng 10 - 12 (h) dòng chảy duy trì ở vận tốc trên 2 m/s.
Bảng 1.2. Vận tốc dòng chảy tại vị trí điểm B

STT

T (s)

U (m/s)

1

0.00

0,00

2

1.800

0,39

3

3.600

0,78

4

5.400

1,15

5

7.200

1,50

6

9.000

1,84

7

10.800

2.14

8

12.600

2,39

9

14.400

2,62

10

16.200

2,79

11

18.000

2,92

12

19.800

3,00

13

21.600

3,02

14

23.400

3,00

15

25.200

2,93

16

27.000

2,80

17

28.800

2,63

18

30.600

2,40

19

32.400

2,15

20

34.200

1,86

21

36.000

1,53

22

37.800

1,17

23

39.600

0,80

24

41.400

0,43

25

43.200

0,02

Vận tốc trung bình

1,85

10