Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình học của bánh công tác đến đặc tính làm việc của máy thuận nghịch bơm tuabin ns thấp (tt)

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

Nguyễn Thị Nhớ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ
HÌNH HỌC CỦA BÁNH CÔNG TÁC ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC
CỦA MÁY THUẬN NGHỊCH BƠM – TUABIN nS THẤP
Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 9520116

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

Hà Nội – 2019


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS. Trương Việt Anh
2. TS. Vũ Văn Trường

Phản biện 1: GS.TS Lê Danh Liên
Phản biện 2: GS.TS Dương Thanh Lượng
Phản biện 3: PGS.TS Thái Doãn Tường

CHƯƠNG 1

Luận án 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 Thị Nhớ, Phạm Phúc Yên; Trương Việt Anh, “Nghiên cứu
ảnh hưởng của một số thông số hình học trong thiết kế thủy lực tuabin
bằng môi hình toán và ứng dụng cho thủy điện Khesoong”, Tạp chí
Cơ khí Việt Nam, ISSN 0866-7056, tháng 3 năm 2016.
2. Nguyễn Thị Nhớ, Bùi Quốc Thái; Vũ Văn Trường; Trương Việt
Anh, “Phân tích sự ảnh hưởng của một số thông số hình học đến đặc
tính năng lượng trong thiết kế máy thủy lực thuận nghịch bơmtuabin”, Hội nghị cơ học thủy khí toàn quốc lần thứ 19, tháng 6 năm
2016.
3. Nguyễn Thị Nhớ, Vũ Văn Trường, Trương Việt Anh, “Mô phỏng số
2D xác định đặc tính năng lượng của tuabin vận hành trong mô hình
thuận nghịch bơm-tuabin”, Hội nghị cơ học thủy khí toàn quốc lần
thứ 19, tháng 6 năm 2016.
4. Nguyễn Thị Nhớ, “Phân tích lý thuyết ảnh hưởng của số cánh và
đường kính chuẩn trong thiết kế tuabin vận hành trong mô hình thuận
nghịch bơm-tuabin”, Hội nghị khoa học thường niên Đại Học Thủy
Lợi, ISBN:978-604-82-1980-2, tháng 12 năm 2016.
5. Nguyễn Thị Nhớ; Đào Ngọc Hiếu, “Pumped storage hydropower in
Viet Nam: Current situation and perspective”, Hội nghị khoa học
thường niên Đại Học Thủy Lợi, ISBN:978-604-82-1980-2, tháng 12
năm 2016.
6. Nguyễn Thị Nhớ, “Utilizing CFD numerical simulation to research
the cavitation in reversible impeller of pump as turbine working in

the pump mode”, Hội nghị khoa học thường niên Đại Học Thủy Lợi,
ISBN:978-604-82-1980-2, tháng 12 năm 2017.
7. Nguyễn Thị Nhớ, Vũ Văn Trường, Trương Việt Anh, “Theoretical
prediction of performance curves of Pump - Turbine at a low specific
speed”, Seventh International Conference and Exhibition on Water
Resources and Renewable Energy Development in Asia, Volume 25
- Issue 2, tháng 3 năm 2018.


8.

9.

Nguyễn Thị Nhớ, Vũ Văn Trường, Trương Việt Anh, “Some
improvement in design of a Pump - Turbine ata low specific
speed”, Seventh International Conference and Exhibition on
Water Resources and Renewable Energy Development in Asia,
Volume 25 - Issue 2, tháng 3 năm 2018.
Nguyễn Thị Nhớ, Đặng Quang Hào, Trương Việt Anh,
“Nghiên cứu thực nghiệm máy thuận nghịch bơm – tuabin có
số vòng quay thấp”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, ISSN 08667056, tháng 4 năm 2019.


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Bơm–tuabin (Pump as Turbine, được viết tắt là PaT) là thiết bị thủy
lực thuận nghịch vừa có khả năng làm việc như bơm và tuabin, được
dùng trong các trạm thủy điện tích năng. Thế giới đã công bố rất nhiều
nghiên cứu về dạng máy này, đặc biệt là bộ phận bánh công tác. Các
nghiên cứu đó đã sử dụng nhiều mô hình toán khác nhau, các kỹ thuật

mô phỏng và thực nghiệm để dự báo các đặc tính năng lượng khi máy
PaT vận hành thuận nghịch cũng như các kết quả trong quá trình thiết
kế và cải tiến biên dạng cánh. Kết quả cho thấy các máy thuận nghịch
PaT đã có thể làm việc lên đến 700m cột nước, công suất trên 500MW
và hiệu suất thủy lực trung bình máy đạt tới 91%. Tuy nhiên, các vấn
đề trên vẫn còn là thách thức do đặc điểm phức tạp của vấn đề nghiên
cứu, đó là: (1) Lý thuyết thiết kế và dự báo các đặc tính thủy lực của
máy PaT chưa được công bố đầy đủ, rõ ràng, không thể áp dụng với
đặc thù của từng máy; (2) Đa số các kết quả trên thế giới về loại máy
này đều được thực hiện bằng mô phỏng số và thực nghiệm. Đây là một
khó khăn lớn trong điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam.
Như vậy, tính chính xác để dự báo đặc tính năng lượng của máy
PaT và lý thuyết để tính toán thiết kế các thông số hình học và biên
dạng cánh là hai thách thức lớn đối với việc thiết kế, chế tạo tổ máy
PaT ở Việt Nam. Để đáp ứng nhu cầu thực tiễn, luận án chọn đề
tài:“Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình học của bánh
công tác đến đặc tính làm việc của máy thuận nghịch bơm–tuabin
ns thấp”. Luận án sẽ tập trung giải quyết hai vấn đề lớn ở trên theo các
điều kiện và giả thiết cho một mô hình máy cụ thể của luận án.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Luận án đưa ra ba mục tiêu như sau:
(1) Đưa ra cơ sở tính toán thiết kế bánh công tác thuận nghịch cho
máy PaT có n s thấp (trong khảng 90-150) trên cơ sở lý thuyết
hiện có.

1


(2) Đưa ra dạng mẫu cánh bánh công tác có các thông số hình học
phù hợp với khả năng làm việc ở hai chế độ bơm và tuabin.

(3) Áp dụng để phân tích cho một dạng máy PaT cụ thể tại Việt
Nam.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Theo bảng danh mục các dự án Thủy điện tích năng giai đoạn 20112030 có điều chỉnh thì sẽ chỉ còn bảy phương án thủy điện tích năng
(TĐTN) có khả năng được xây dựng với tổng công suất lắp máy là
2100MW. Cũng theo quy hoạch, đây đều là các trạm TĐTN có công
suất lắp máy là 300MW và cột nước cao. Dựa vào các thông số tính
toán sơ bộ về cột nước, lưu lượng và công suất dự kiến của bảy phương
án TĐTN trên (bao gồm TĐTN Bắc Ái phương án 1,2,3,4 và Đông
Phù Yên phương án 1,2) đều cho thấy đây đều là các trạm có số vòng
quay đặc trưng n s của thiết bị thủy lực dao động từ 90 đến 150. Vì vậy,
tác giả lựa chọn phạm vi nghiên cứu của luận án là các máy PaT có n s
từ 90 đến 150 phù hợp với tình hình thực tế nghiên cứu ở Việt Nam.
Đồng thời trong nghiên cứu này, các thông số đầu vào được lấy theo
mô hình tương tự của TĐTN Phù Yên Đông.
4. Phương pháp nghiên cứu
Tác giả sử dụng phương pháp tính toán lý thuyết kết hợp với
phương pháp mô phỏng số động lực học dòng chảy CFD và thực
nghiệm để giải quyết các mục tiêu đã nêu của luận án.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
1.1 Ý nghĩa khoa học của luận án
(1) Đề xuất được phương pháp tiếp cận khoa học trong nghiên cứu
để dự báo các đặc tính năng lượng (cột nước (H), công suất (P)
và hiệu suất (η)) của máy PaT làm việc ở chế độ bơm và tuabin.
(2) Trên cơ sở lý thuyết truyền thống về thiết kế các thông số hình
học của bánh công tác bơm và tuabin. Luận án đã đề xuất được
phương pháp tính toán thiết kế biên dạng cánh bánh công tác
thuận nghịch PaT có sự cân nhắc về đặc tính thủy lực cho cả bơm

2

và tuabin.
(3) Kết hợp phương pháp tính toán mô phỏng số và thực nghiệm để
đánh giá, kiểm chứng hiệu quả trên cơ sở các đề xuất từ lý thuyết.
5.1 Ý nghĩa thực tiễn của luận án
(1) Với định hướng phát triển của các trạm thủy điện tích năng trong
tương lai đã được Chính phủ phê duyệt, luận án đã đi theo đúng
chiến lược phát triển và khai thác nguồn tài nguyên nước ở Việt
Nam. Luận án đã đi vào giải quyết các vấn đề mang tính cấp thiết
và thời sự, nâng cao hiệu quả kinh tế cho xã hội.
(2) Phương pháp luận, phương pháp tính toán, phương pháp đánh giá
và phương pháp thiết kế của luận án có giá trị hữu ích cho các kỹ
sư trong nước có thể chủ động hơn trong thiết kế bơm–tuabin
thuận nghịch nói riêng và máy cánh nói chung.
(3) Đưa ra các giải pháp công nghệ giúp nâng cao hiệu quả khai thác
dòng chảy của các trạm thủy điện tích năng và các ứng dụng khác
trong điều kiện Việt Nam.
6. Những đóng góp mới của luận án
(1) Luận án đã đưa ra được phương pháp tính toán dự báo các đặc
tính năng lượng (cột nước (H), công suất (P) và hiệu suất (η)) trên
cơ sở tính toán lý thuyết các thành phần cột nước lý thuyết, cột
nước tổn thất của dòng chảy trong tổ máy PaT ở cả hai chế độ
bơm và tuabin. Phương pháp này có thể được áp dụng trong dự
báo sơ bộ đặc tính của máy khi lựa chọn phương án thiết kế.
(2) Luận án đã xây dựng được mẫu cánh mới cho máy thuận nghịch
PaT theo dạng một cung cong đối xứng, phù hợp với yêu cầu làm
việc của máy trong cả hai chế độ bơm và tuabin.
(3) Luận án đã đánh giá được sự ảnh hưởng của các thông số hình
học quan trọng đối với bánh công tác thuận nghịch bơm tuabin,

bao gồm: D; β1B; β2B và Z. Qua đó, luận án đã đề xuất được các
dải giá trị hợp lý của một số thông số hình học cho một dạng máy
PaT cụ thể có n s =104.

3


(4) Luận án đã áp dụng phương pháp phân tích mô phỏng số kết hợp
với thực nghiệm để kiểm chứng phương pháp thiết kế cánh theo
dạng một cung cong như đã đề xuất.
7. Cấu trúc của luận án
Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu, thiết kế và chế tạo
PaT trên thế giới và Việt Nam.
Chương 2: Xây dựng cơ sở khoa học để thiết kế mô hình thuận nghịch
bơm–tuabin.
Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng tổ máy bơm–tuabin.
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm tổ máy bơm–tuabin.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY THỦY LỰC THUẬN
NGHỊCH BƠM–TUABIN
1.1 Giới thiệu chung về bơm–tuabin
Những nhà máy thủy điện tích năng (NMTĐTN) đầu tiên đã xuất
hiện ở châu Âu vào cuối thế kỷ XIX. Cùng với đó là sự phát triển của
khoa học công nghệ trong thiết kế và chế tạo máy bơm –tuabin. Các
nghiên cứu đã khẳng định rằng tất cả các loại bơm từ trục đứng hay
trục ngang, từ ly tâm hay hướng tâm đều có thể vận hành được dưới
dạng tuabin. Cho đến nay, các máy PaT có thể làm việc tốt được trong
vùng cột nước từ 50m đến 800m, công suất đầu ra từ 10MW đến hơn
500MW, hiệu suất tuabin và bơm lên đến 91% và 90,8% .
1.2 Tình hình nghiên cứu PaT trên thế giới
1.2.1 Vấn đề 1: Lựa chọn vùng làm việc của bơm và tuabin - tỷ số

cột áp và lưu lượng tại điểm hiệu suất lớn nhất
Để tiện so sánh giữa các nghiên cứu, các chỉ số tương đối về cột
nước h, lưu lượng q được sử dụng như phương trình (1-1).
H
Q

h  T ; q  T ;  T
(1-1)
HP
QP
P

4


Q - lưu lượng (m3 /h hoặc m3 /s ); H – cột nước (m); η- hiệu suất
(%); chỉ số T- tuabin; P-bơm.
Các nghiên cứu đã cố gắng để dự báo tỷ lệ điểm làm việc tốt nhất
của bơm và tuabin trong cùng một mô hình thuận nghịch PaT để có
thể đánh giá sơ bộ ban đầu khả năng làm việc của máy. Kết quả cho
thấy, với phương án dự báo tốt nhất thì sai số so với thực tế vẫn lên
đến 20%. Vì vậy, một đề xuất được đưa ra là các máy PaT phải được
kiểm tra để chắc chắn đạt được những đặc tính tốt nhất trong cả hai
chế độ trước khi lắp đặt.
1.2.2 Vấn đề 2: Dự báo đặc tính năng lượng của máy PaT khi hoạt
động ở chế độ bơm và tuabin
Khi đã chọn được mô hình máy PaT và tỷ lệ làm việc về lưu lượng
(q) và cột áp (h) tại điểm thiết kế của hai chế độ thì việc dự đoán các
đặc tính về cột nước (H), công suất (P) và hiệu suất (η) trong cả hai
mô hình là quan trọng. Điều này liên quan đến việc tính toán các vấn

đề thủy lực của dòng chảy để đưa ra được các phương trình của cột
nước, công suất và hiệu suất theo các thông số hình học của máy. Các
phương pháp thường được sử dụng là mô phỏng hoặc thực nghiệm.
Rất ít các nghiên cứu lý thuyết được công bố rõ ràng cho mô hình
thuận nghịch cụ thể, nếu có thì cũng chỉ áp dụng cho các máy bơm
hoặc tuabin độc lập. Ngoài ra, rất khó để áp dụng các kết quả đó do
còn nhiều thông số chưa biết biết hoặc do điều kiện áp dụng không rõ
ràng.
1.2.3 Vấn đề 3: Lý thuyết trong thiết kế bánh công tác thuận
nghịch PaT
Các mẫu cánh PaT hiện đại được thiết kế dựa trên sự kết hợp của
lý thuyết thiết kế cánh dẫn với các lý thuyết quy hoạch thực nghiệm
để đánh giá ảnh hưởng của các thông số hình học đến đặc tính năng
lượng PaT; các lý thuyết trong việc tìm hàm tối ưu để hỗ trợ tìm và
giải hàm tối ưu và các kỹ thuật mô phỏng số CFD. Kết quả đã cho
thấy, máy PaT có thể làm việc tốt được trong vùng cột nước từ 50m

5


đến 800m, công suất đầu ra từ 10MW đến hơn 500MW, hiệu suất
tuabin và bơm lên đến 91% và 90,8% .
1.2.4 Vấn đề 4: Phân tích ảnh hưởng của một số thông số hình học
bánh công tác đến đặc tính vận hành của bơm và tuabin
Các kết quả trên thế giới đã phân tích và đưa ra được xu thế ảnh
hưởng của một số thông số quan trọng như số cánh Z, góc đặt cánh β,
đường kính D, chiều rộng máng cánh b và góc tới δ đến các đặc tính
về H(Q), P(Q) và η(Q) trong cả hai chế độ. Kết hợp các kết quả này
với một số kỹ thuật thiết kế cánh như bo tròn mép cánh, mở rộng vùng
mắt thắt thì hiệu suất được tăng cường từ 1% đến 2,5% trong vùng vận

hành thiết kế. Tuy nhiên, vẫn cần có thêm các kết quả để đưa ra được
các đề xuất khuyến cáo cho việc lựa chọn các thông số hình học đó
theo các dạng máy PaT khác nhau.
1.3 Tình hình nghiên cứu, thiết kế và sử dụng PaT ở Việt Nam
Theo dự báo tính tới năm 2030, Việt Nam sẽ có bảy phương án
TĐTN được đưa vào vận hành với tổng công suất đạt 2100MW. Tuy
nhiên, tới thời điểm hiện tại, vẫn chưa có bất cứ nghiên cứu nào về
dạng máy này được công bố.
1.4 Kết luận chương 1
Hai thách thức lớn nhất với các nhà khoa học ở Việt Nam trong
nghiên cứu máy PaT đó là: (1) Các quy trình thiết kế mà thế giới đã
làm phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm và trình độ của người thiết kế.
Đặc biệt, nó cũng đòi hỏi những điều kiện về công nghệ kỹ thuật mà
ở Việt Nam khó có thể đáp ứng được như điều kiện thí nghiệm, điều
kiện về máy móc và chương trình phục vụ mô phỏng. (2) Lý thuyết
thiết kế và vấn đề thủy lực của máy chưa được công bố đầy đủ, rõ ràng
và rất khó có thể áp dụng cho các máy khác nhau. Các mô hình toán
dự báo vẫn còn sai số ở mức cao so với thực tế. Như vậy, tính chính
xác để dự báo đặc tính năng lượng của máy PaT trong cả hai chế độ
bơm và tuabin và lý thuyết để tính toán thiết kế các thông số hình học
và biên dạng cánh là hai thách thức lớn cho thiết kế tổ máy PaT trên

6


thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Với các đòi hỏi thực tiễn
nêu trên thì đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình
học của bánh công tác đến đặc tính làm việc của máy thuận nghịch
bơm –tuabin ns thấp” sẽ tập trung giải quyết lần lượt hai vấn đề lớn
đó theo các điều kiện và giả thiết cho một mô hình máy cụ thể, được

áp dụng cho TĐTN Phù Yên Đông.
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHÂN TÍCH THIẾT KẾ
BÁNH CÔNG TÁC THUẬN NGHỊCH BƠM-TUABIN
2.1 Cơ sở lý thuyết để dự báo đặc tính của bơm - tuabin khi vận
hành trong chế độ của bơm và tuabin
Trong phần này, tác giả sẽ xây dựng cơ sở lý thuyết để dự báo các
đặc tính năng lượng về cột nước (H), hiệu suất (η) và công suất (P)
trong cả hai chế độ bơm và tuabin từ các thông số hình học của bánh
công tác. Cơ sở của việc này là tính toán đầy đủ các cột nước lý thuyết
(Hth ), cột nước tổn thất (h loss ) và các vấn đề thủy lực của bánh công tác
và các bộ phận qua nước của tổ máy. Sau đó, phương trình cân bằng
công suất sẽ cho phép xác định được hiệu suất của hệ thống. Đây là
kết quả của sự phân tích và kế thừa các công thức cơ bản trong nhiều
tài liệu của các nghiên cứu trước đó. Các công thức được phân tích và
tổng hợp phù hợp cho các máy PaT có n s thấp.
2.1.1 Phương trình cột nước lý thuyết của bánh công tác- Hth
Sử dụng phương trình cột nước Euler có tính đến ảnh hưởng của số
cánh hữu hạn, có xét đến yếu tố trượt và yếu tố chèn dòng trong hai
chế độ bơm và tuabin, tác giả thiết lập được phương trình tính toán cột
nước lý thuyết của bánh công tác (BCT) như (2-1) và (2-2).
(2-1)
u2Q p 2
Qp
 2u22
u
im
H th

 1
,P 

g
gA3m tan  2 B
g A0m tan1
2
R3 cot 3B QT u 2
 sin 1B u1 c0m cot 1B u1 1 u12 (2-2)
im
H th ,T 

R2 g

A3m





gZ

7

g



g


2.1.2 Tính toán các thành phần tổn thất- hloss
Trong mục này, tác giả sẽ tính toán tổn thất xảy ra trên suốt chiều

dài đường đi của chất lỏng từ cửa vào đến cửa ra của tổ máy PaT như
bảng 2.1. Đây là kết quả của sự phân tích và kế thừa các công thức cơ
bản trong nhiều tài liệu của các nghiên cứu trước đó, qua đó cũng đã
dự đoán được các thành phần tổn thất trong hai chế độ.
Bảng 2.1 Bảng tổng các thành phần tổn thất trong tổ máy PaT
Tổn thất thủy
lực trong bánh công tác - h im
-

Tổn thất ma sát của dòng chất lỏng với
cánh dẫn
Tổn thất va đập đầu cánh
Tổn thất dòng quẩn
Tổn thất phân tán do dòng loe (dòng
côn) và độ dày của cánh
Tổn thất dòng xoáy
Tổn thất thủy lực buồng xoắn
Tổn thất thủy lực cánh hướng
Tổn thất thủy lực trong khoảng trống
Tổn thất thủy lực trong ống hút
Tổn thất ma sát đĩa trong BCT

Tổn thất do bộ phận dẫn dòng Tổn thất ma sát đĩa
Tổn thất rò rỉ
- Tổn thất lưu lượng
- Tổn thất cột nước
2.1.3 Hiệu suất tổ máy

h fr
h in

h rec
h dif
h cir
h cas
h van
h spa
h dr
h disk
Qleg ,
h leg

Hiệu suất tổ máy được tính như phương trình (2-3).


Pout
Pin



gQnet H net

(2-3)

gQnet H net  Pm  Phy  Pdisk  Pl  Prec

Pout – Công suất đầu ra (hữu ích) của tổ máy
Pout  gH netQnet

(2-4)

Trong đó, Q (m3 /s) và H (m) lần lượt là lưu lượng và cột nước thực
tế (hữu ích) của tổ máy
im
(2-5)
H net  H thim  hloss
(2-6)
Qnet  Qin  Qleg

8


H thim : Cột nước lý thuyết của bánh công tác, được tính theo từng
im
chế độ vận hành bơm hay tuabin theo các phương trình trình; hloss –

tổng các thành phần tổn thất trong vùng bánh công tác; Qin – lưu lượng
vào của tổ máy; Qleg – lưu lượng rò rỉ.
Các thành phần Pm– Công suất tổn thất cơ khí; Pdisk – Công suất
tổn thất ma sát đĩa; Pl – Công suất tổn thất rò rỉ; Prec – Công suất
tổn thất dòng quẩn ; Phy – Công suất tổn thất thủy lực của tổ máy.
2.2 Cơ sở lý thuyết trong thiết kế bánh công tác thuận nghịch
bơm-tuabin
2.2.1 Phương pháp thiết kế

Hình 2.1 Quy trình thiết kế bánh công tác thuận nghịch PaT
Quy trình tính toán và thiết kế chung của máy PaT được cho dưới
hình 2.1 cho thấy các thông số hình học của BCT được xem xét và cân
nhắc về thủy lực trong cả hai chế độ. Để thiết kế các thông số hình học
của BCT, trước tiên ta giải bài toán nghịch (dựa vào lý thuyết thiết kế
bơm ly tâm n s thấp), thiết kế đầy đủ các thông số đầu vào của BCT.

Sau đó, dựa vào các phương trình năng lượng về H, P và η đã được

9


trình bày trong mục 2.1.3, ta sẽ đánh giá được ảnh hưởng của thông số
đến hiệu suất của cả hai chế độ. Phương án nào cho hiệu suất trung
bình của bơm và tuabin là tốt nhất sẽ được lựa chọn. Quá trình thiết kế
cứ lặp đi lặp lại cho đến khi tìm được bộ thông số tốt nhất thì dừng.
2.2.2 Đề xuất mẫu biên dạng cánh trong nghiên cứu
Tác giả đề xuất mẫu cánh trụ có đặc điểm như sau: Về hình học,
cánh BCT được thiết kế như một cung tròn đối xứng với mặt trên (mặt
hút) và mặt dưới (mặt áp suất), như hình 2.2 và hình 2.3. Với biên
dạng này, độ dày lớn nhất ở vị trí chính giữa (Lj /L= 0,5). Theo như
phương pháp điểm Pfleiderer trong thiết kế bơm ly tâm dạng cánh trụ,
đường nhân cánh được xác định bởi các thông số Rj và θj từ mặt cắt
cửa vào đến cửa ra của BCT.
f





R*

L
8

1

W

W



8

2



Hình 2.2 Đặc tính biên dạng cánh
bơm-tuabin thuận nghịch



Rj

L

j

1

R1

R2

Hình 2.3 Dạng hình học của

đường nhân prophin cánh
2.3 Thiết kế mặt cắt kinh tuyến - Phân tích ảnh hưởng của một số
thông số hình học chính đến chất lượng thủy lực của vận hành chế
độ bơm và tuabin
Trong nghiên cứu này, các thông số ban đầu được lấy theo các
thông số của mô hình tương tự cho Trạm thủy điện tích năng Phù Yên
Đông bao gồm: số vòng quay đồng bộ n=600 vòng/phút, lưu lượng
thiết kế bơm (Q) là 220m3 /h (0,067m3 /s) và cột nước bơm (H) là 9m.
Khi đó số vòng quay đặc trưng bơm là 104. Áp dụng phương pháp
thiết kế như mục 2.2.1 kết hợp với các phương trình về H, P và η trong
mục 2.1.3, tác giả khảo sát và đưa ra được kết quả như bảng 2.2.

10


Bảng 2.2 cho thấy các kích thước chính của bánh công tác PaT có
sự giao thoa, hài hòa của các thông số hình học trong hai mô hình bơm
và tuabin. So sánh với bơm được thiết kế ban đầu thì số cánh và góc
đặt cánh β1B và β2B tăng trong khi đường kính d * 2 =D2 /D1 và góc ôm
cánh θ giảm đáng kể. Phương án β1B =24o -29o ; β2B = 30o -35o ;
d * 2 =D2 /D1 = 1,74-1,91 và Z = 9-13 thì hiệu suất trung bình của bơm và
tuabin là trong vùng tốt nhất.
Bảng 2.2 Đánh giá sự hiệu chỉnh các thông số hình học trong máy
thuận nghịch bơm -tuabin so với bơm và tuabin độc lập
Thông số
Bơm
Tuabin

D1
(m)

0,23
0,23

Bơmtuabin

0,23

D2
(m)
0,46
0,36

0,4-0,44

2
1,4

7
19

β1B
(o)
20
35

1,74-1,91

9-13

24-29

d2*

Z

β2B
(o)
25
70

θ
(o)
98
50

30-35

56-72

2.4 Lựa chọn ba mẫu cánh nghiên cứu
2.4.1 Lựa chọn bộ thông số của ba mẫu cánh nghiên cứu
Z
10

Bảng 2.3 Các thông số hình học chính của BCT
D1 (m) D2 (m)
b 1 (m) b 2 (m)
β1B (o )
e1 =e2 (mm)
0,23

0,42
0,054
0,04
25
3
22°

R1

.5
R1

.9

R2

.3

30°
.5
R1

R2

.7
.9
R1

R3

.1

3
R2.

5
R3.

°

40

R2.7

.5
R1

.9
R1

38

.3
R2

R3.1

°

R3.1

R2.7

R3.5

30°

R2.7

R3.1

30°

23°

R3.1

R3.5

R2.7
R3.1

23°

R2.3

75
°

R1.9

R2.3

R2.7
R2.3

°
66

25°

R1.9
°
59

°
25

R1.9

R1.5

R1.5
25°

Mẫu 3
Mẫu 1
Mẫu 2
β*=β2B / β1B =1,6
β*=β2B / β1B =0,88

β*=β2B / β1B =1,2
Hình 2.4 So sánh ba mẫu biên dạng cánh khảo sát
Tác giả đề xuất ba phương án mẫu cánh khác nhau dựa trên sự thay
đổi của góc đặt cánh β2B trong khi các thông số khác không đổi. Sau
đó, sử dụng phương trình đường nhân cánh để đảm bảo cánh là cong

11


đối xứng hoàn toàn để thiết kế cánh. Ba phương án mẫu cánh với góc
β1B cố định tại 250 , trong khi β2B là 220 ; 300 và 400 . Khi đó, tỷ số
β*=β2B/ β1B tương ứng là 0,88; 1,2 và 1,6. Các thông số còn lại cho
trên bảng 2.3. Với ba phương án trên, kết hợp với bộ thông số như
bảng 2.3 sẽ xây dựng được quy luật phân bố βj (Lj ) như đề xuất trong
mục 2.2.2. Cuối cùng sẽ thiết kế được 3 mẫu cánh như hình 2.4.
2.4.2 Đánh giá hiệu suất và chất lượng xâm thực của ba mẫu cánh
thiết kế, so sánh với mẫu thiết kế thông thường
Mẫu 1- Phương án 1

Mẫu 2- Phương án 2

Mẫu 3- Phương án 3

a) Chế độ bơm

b) Chế độ tuabin
Hình 2.5 Phân bố trường dòng của 3 mẫu cánh
Kết quả đánh giá về thủy lực và hiệu suất cho 3 mẫu này bằng mô
phỏng số CFD (hình 2.5) cho thấy mẫu cánh mẫu 1 cho hiệu suất bơm
là tốt nhất trong khi với tuabin là mẫu cánh 2. Đánh giá trung bình của

hai chế độ thì mẫu 2 cho hiệu suất trung bình là tốt nhất. Mẫu cánh
này được lựa chọn để kiểm chứng và so sánh với mẫu thiết kế thông
thường. Các kết quả mô phỏng cho thấy mẫu cánh được thiết kế với
biên dạng cánh cong đối xứng sẽ cho thuỷ lực tốt hơn so với mẫu thông
thường. Các kết quả tính hiệu suất BCT cho thấy hiệu suất được tăng
cường 3,8% từ 86,68% lên 90,48%.

12


2.5 Kết luận chương 2
Các kết quả đạt được của Chương 2 gồm: (1) Đã đưa ra cơ sở lý
thuyết để dự báo các đặc tính năng lượng về cột nước (H), hiệu suất
(η) và công suất (P) trong cả hai chế độ bơm và tuabin từ các thông số
hình học của bánh công tác. (2) Các kết quả khảo sát đã đưa ra các dải
giá trị hợp lý có thể áp dụng cho quá trình thiết kế bánh công tác thuận
nghịch n s thấp như sau: Phương án β1B =24o -29o ; β2B = 30o -35o ;
d * 2 =D2 /D1 = 1,74-1,91 và Z = 9-13 thì hiệu suất trung bình của bơm và
tuabin là trong vùng tốt nhất. (3) Đã đề xuất được mẫu cánh có quy
luật cong đối xứng hoàn toàn bằng việc thay đổi các quy luật khác
nhau của phân bố góc đặt cánh theo chiều dài cánh βj (Lj ). So với cánh
được thiết kế thông thường theo lý thuyết bơm thì mẫu cánh mới của
luận án đã tăng cường được hiệu suất thủy lực cánh trung bình hai mô
hình bơm và tuabin là 3,8% (từ 86,68% lên 90,48%).
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG 3D DÒNG CHẢY
TRONG HỆ THỐNG THUẬN NGHỊCH BƠM –TUABIN
Cửa ra
Cửa vào
Buồng xoắn

Cửa ra
Cửa vào
b. Chế độ tuabin
a. chế độ bơm
Hình 3.1 Điều kiện biên cho mô phỏng PaT
CFD (Computational Fluid Dynamics) – tính toán động lực học
chất lưu có sự trợ giúp của máy tính được ứng dụng nhiều trong thiết
kế máy cánh. Trong Luận án này, tác giả sử dụng phần mềm này để

13


mô phỏng 3D dòng chảy qua tổ máy PaT trong cả hai chế độ của bơm
và tuabin. Hình 3.1mô tả điều kiện biên được áp đặt cho bài toán mô
phỏng dòng qua PaT hoạt động ở chế độ bơm và tuabin.
3.1 Các kết quả trong chế độ bơm

Hình 3.2 Sự phân bố áp suất dọc theo biên dạng cánh tại các mặt cắt
dọc theo bề rộng cánh trong vùng bánh công tác. s và c lần lượt là
tọa độ cong (từ đầu biên dạng) và c là chiều dài dây cung

Hình 3.3 Sự phân bố áp suất tại mặt cắt 50% bề rộng cánh cho vùng
bánh công tác và cánh hướng. Ps là áp suất tĩnh.
Các kết quả hình 3.2 cho thấy không có vùng áp cao trên lưng cánh
do tác dụng của dòng chất lỏng bị đẩy bởi cánh tiếp sau. Nghĩa là dòng
chảy không bị cản trở bởi hiện tượng chờm cánh nên chất lượng động
lực học là tốt. Các kết quả về phân bố vận tốc và áp suất từ hình 3.3
cũng cho thấy sự phân bố trường áp suất trên mặt lưng và bụng cánh
tốt để tạo lực nâng, bụng cánh đẩy chất lỏng áp suất cao.
3.2 Kết quả trong chế độ tuabin

Hình 3.4 cho thấy áp suất phân bố đều trên mặt lưng và bụng cánh,
áp suất phía lưng lớn hơn phía bụng đảm bảo sự chênh lệch áp tạo

14


mômen quay cho từng lá cánh, trên toàn bộ bề mặt cánh không sinh ra
áp suất bão hoà, chênh lệch áp suất bụng và lưng lớn nhất ở vị trí gần
giữ cánh (khoảng 35% đến 55%) tính từ mép vào theo chiều dòng chảy
tuabin. So với phân bố của bơm thì phân bố áp suất dọc theo lá cánh
của tuabin tốt hơn, đặc biệt là tại hai vị trí mép vào và mép ra của bánh
công tác.

Hình 3.4 Phân bố áp suất (tải trọng cánh) dọc theo lá cánh

Hình 3.5 Phân bố đường dòng trong hệ thống tuabin
Hình 3.5 cho thấy phân bố áp suất trong vùng BCT là tương đối
đều, chỉ có vùng mép vào cột trụ với buồng xoắn có sự va đập của
dòng chảy dẫn đến hình thành một vùng áp suất tăng cục bộ. Khi vận
hành ở vùng thiết kế, phân bố áp suất trong BCT khá đều và đối xứng
với sự giảm dần từ các áp suất cao (màu đỏ cam) tại đầu vào trong
bánh công tác đến áp suất thấp (màu xanh) tại đầu ra (miệng hút) của
bánh công tác. Tại đầu vào của bánh công tác, giá trị áp suất trung bình
P2 =100690Pa và áp suất trung bình tại mặt cắt cửa ra P1 =7417Pa. Khi

15


vận hành ngoài vùng thiết kế, áp suất phân bố trên vùng BCT có phần
không đồng đều, nguyên nhân chủ yếu là do tính tương thích của biên

dạng buồng xoắn với lưu lượng.
3.3 Đánh giá hiệu suất

Hình 3.6 Đặc tính năng lượng
của PaT ở chế độ bơm

Hình 3.7 Đặc tính năng lượng
của PaT ở chế độ tuabin

Hình 3.6 cho thấy tại điểm thiết kế (Qtk =220m3 /h), hiệu suất bơm
trong vùng giá trị cao nhất (hiệu suất đạt giá trị cao nhất tại các điểm
nằm trong khoảng 95% đến 110% của lưu lượng thiết kế). Điều này
chứng tỏ điểm thiết kế ở đây là phù hợp và là một lựa chọn tốt. Về cột
nước, tại điểm thiết kế (Qtk =220m3 /h), cột nước đạt 10,2m, cao hơn
một chút so với thông số thiết kế của bơm ban đầu. Công suất yêu cầu
tại điểm thiết kế là P = 6,37kw.
Hình 3.7 cho thấy sự thay đổi cột áp H, công suất P và hiệu suất
của hệ thống theo lưu lượng trong chế độ tuabin. Chúng ta có thể thấy
tại điểm BEP (Qtk =320m3 /h), hiệu suất đạt 74,2%, cột nước phát điện
đạt 9,6m và phát được P = 6,2kw điện.
3.4 Đánh giá phân bố tổn thất trong các khối vùng của tổ máy
Kết quả đánh giá tổn thất trong các vùng của bơm (hình 3.8) và
tuabin (hình 3.9) cho thấy: (1) Trong vận hành bơm: Tổn thất trong
vùng bánh công tác là lớn nhất, chiếm gần 56,2%, tiếp sau là cánh
hướng và ống hút với 18,56% và 12,87%. Tổn thất rò rỉ chiếm tỷ lệ
thấp nhất với 2,63%. (2) Trong vận hành tuabin: Tỷ lệ tổn thất thủy

16

lực của bánh công tác vẫn chiếm tỷ lệ nhiều nhất là 59,13%, sau đó là
vùng buồng xoắn với 11,69%.

a) Đánh giá tổn thất qua các b) Tỷ lệ phân bố tổn thất trong
khối vùng
tại điểm thiết kế
Hình 3.8 Đánh giá tổn thất trong chế độ bơm

a) Đánh giá tổn thất qua các khối b) Tỷ lệ phân bố tổn thất trong
tại điểm thiết kế
vùng
Hình 3.9 Đánh giá tổn thất trong chế độ tuabin
3.5 Kết luận chương 3
Chương 3 đã tiến hành mô phỏng số 3D để đánh giá chất lượng
thủy trong hai chế độ, kết quả cho thấy: (1) Về hiệu suất: Tại điểm
thiết kế bơm (Qtk =220m3 /h), cột nước đạt 10,2m, công suất yêu cầu tại
điểm thiết kế là P = 6,37kW, hiệu suất đạt 79%. Trong chế độ tuabin
tại điểm BEP (Qtk =320m3 /h), hiệu suất đạt 74,2%, cột nước phát điện
đạt 9,6m và phát được P = 6,2kW điện. (2) Về phân bố tổn thất: Nhìn
chung cho thấy tổn thất thủy lực trong vùng bánh công tác là lớn nhất,

17


chiếm hơn 50% trong cả chế độ bơm và tuabin. Trong chế độ bơm, tổn
thất bánh công tác là lớn nhất với 56,2%, sau đó là tổn thất trong vùng
van (18,6%), vùng ống hút là 12,9%. Trong chế độ tuabin, sau tổn thất
vùng BCT là lớn nhất với 59,13% lại là vùng buồng xoắn với 11,69%.
Vùng van chỉ chiếm 7,92% thấp hơn nhiều so với vận hành bơm
(18,6%). Tổn thất rò rỉ trong hai mô hình là xấp xỉ nhau và cùng chiếm

tỷ lệ nhỏ nhất.
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH BƠM
– TUABIN THUẬN NGHỊCH
4.1 Giới thiệu về hệ thống thử nghiệm của Công ty CP chế tạo bơm
Hải Dương
Công ty CP chế tạo bơm Hải Dương đã xây dựng hệ thống thí
nghiệm bơm mới tại Hải Dương với dung tích bể chứa ngầm W = 2500
m3 , có thể thử bơm công suất Pmax = 1500 kW, lưu lượng Qmax = 50000
m3 /h. Hệ thống được xây dựng đồng bộ với các thiết bị đo hiện đại,
các phần mềm và phần cứng của hãng Siemens nên có độ chính xác
và đồng bộ cao.
4.2 Các kết quả về đặc tính năng lượng, so sánh với tính toán lý
thuyết và mô phỏng

Hình 4.1 So sánh đường đặc tính Hình 4.2 So sánh các đường
của bơm giữa lý thuyết, mô
cong đặc tính của tuabin giữa
phỏng CFD và thực nghiệm,
lý thuyết và thực nghiệm,
Phương án độ mở a 02 =10mm
phương án độ mở a 02 =10mm

18


Hình 4.1 và hình 4.2 thể hiện các kết quả thực nghiệm (EXP), mô
phỏng (CFD) và tính toán lý thuyết (Th). Nhìn chung, các đường cong
theo tính toán lý thuyết phản ánh tốt xu thế của các đường cong theo
thực nghiệm, đặc biệt là đường cong hiệu suất. Sai số giữa tính toán
lý thuyết và thực nghiệm về η, H và P không quá 10% trong vùng 90%

đến 110% điểm thiết kế trong cả hai chế độ.
4.3 Đánh giá ảnh hưởng của độ mở cánh hướng đến vận hành bơm
và tuabin

Hình 4.4 Ảnh hưởng của độ
Hình 4.3 Ảnh hưởng của độ mở mở cánh hướng đến đặc tính
cánh hướng đến đặc tính của bơm của tuabin với các phương án
với các phương án độ mở cánh
độ mở cánh hướng 5mm;
hướng 5mm; 10mm và 15mm
10mm và 15mm
Độ mở cánh hướng có ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu quả làm việc
của tổ máy. Các kết quả hình 4.3 và hình 4.4 cho thấy khi độ mở tăng
dần từ 5mm đến 15mm độ thì QBEP đều có xu thế tăng trong khi cột áp
giảm. Cụ thể, trong vận hành bơm, QBEP tăng từ 218,22m3 /h lên 300
m3 /h trong khi H giảm từ 8,82m tới 7,71 m. Trong vận hành tuabin,
QBEP tăng từ 270 m3 /h lên 320,9 m3 /h trong khi H giảm từ 9,78 m tới
8,94 m. Xét về mặt hiệu suất, phương án độ mở cánh hướng 10mm
cho hiệu suất của cả bơm và tuabin là tốt nhất, bơm đạt 77,07% và
tuabin đạt 72,8%.

19


4.4 Đánh giá vùng làm việc của bơm và tuabin

Hình 4.5 Vùng vận hành của Hình 4.6 Vùng vận hành của bơm
bơm và tuabin với phương án và tuabin với phương án độ mở
độ mở a 01 =5mm
a 02 =10mm

Hình 4.7 Vùng vận hành của bơm và tuabin với phương án độ
mở a 03 =15mm
Việc thiết kế bơm –tuabin thường gắn liền với một công trình thực
tế, với các điều kiện thực tế về dao động mực nước thượng và hạ lưu,
các yêu cầu về số giờ phát điện cũng như bơm nước, đặc biệt là giá
điện theo từng khung giờ. Tác giả xây dựng vùng vận hành của tổ máy
cho cả chế độ bơm và tuabin dựa trên các điều kiện thực tế từ mô hình
tương tự cho TĐTN Phù Yên Đông.

20


Hình 4.5, hình 4.6 và hình 4.7 so sánh ba vùng làm việc của bơm
và tuabin ứng với ba phương án cánh khác nhau. Kết quả cho thấy
phương án độ mở a 02 =10mm cho hiệu suất tại điểm thiết kế là lớn nhất
trong cả bơm và tuabin nhưng lại không nằm trong vùng có thể vận
hành được do cột áp yêu cầu lớn hơn cột áp có thể tạo được của trạm.
Trong khi đó, phương án độ mở a 01 =5mm và a 03 =15mm đều đảm bảo
các điều kiện vận hành của bơm và tuabin về cột áp nhưng phương án
a 01 =5mm cho vùng hiệu suất cao hơn, phương án này bao trọn vùng
hiệu suất cao của cả bơm và tuabin.
4.5 Đánh giá tỷ lệ về cột nước và lưu lượng tại điểm BEP

Hình 4.8 Đánh giá tỷ lệ Q tại
điểm BEP giữa tuabin và bơm

Hình 4.9 Đánh giá tỷ lệ H tại
điểm BEP giữa tuabin và bơm

Như đã trình bày trong phương trình (1-1) mục 1.2.1, việc khó khăn
ban đầu khi thiết kế máy PaT là chọn được tỷ số cột áp và lưu lượng
tại điểm hiệu suất lớn nhất (BEP) giữa chế độ tuabin và bơm. Đây là
cơ sở đầu tiên để lựa chọn được bộ thông số thiết kế hài hòa cả bơm
và tuabin. Hình 4.8 và hình 4.9 so sánh các kết quả về tỷ số về cột áp
h và lưu lượng q tại điểm BEP giữa tuabin và bơm với các nghiên cứu
trên thế giới (các tác giả). Ba phương án ứng với ba độ mở khác nhau
được so sánh. Các kết quả trong nghiên cứu này cũng cho thấy sự phù
hợp với các nghiên cứu trong các tài liệu của các tác giả trên thế giới.
Khi PaT vận hành trong chế độ tuabin sẽ cho H và Q cao hơn so với
ở chế độ bơm nhưng hiệu suất tại điểm BEP lại thấp hơn trong chế độ
bơm. Nhìn chung, tại điểm BEP, cột áp của tuabin lớn hơn gấp khoảng
từ 1,07 đến 1,3 và lưu lượng của tuabin gấp khoảng 1,11 đến 1,16 lần

21