Nghiên cứu tua bin xung kích hai lần nửa phản kích để nâng cao hiệu quả ứng dụng cho các trạm thuỷ điện nhỏ ở việt nam

bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
-------------------

nguyễn tùng phong

Nghiên cứu tua bin xung kích hai lần
nửa phản kích để nâng cao hiệu quả ứng
dụng cho các trạm thuỷ điện nhỏ ở việt nam

Luận án tiến sÜ kü thuËt

hµ néi - 2004


bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
-------------------

nguyễn tùng phong

Nghiên cứu tua bin xung kích hai lần
nửa phản kích để nâng cao hiệu quả ứng dụng
cho các trạm thuỷ điện nhỏ ở việt nam
Chuyên ngành:

Máy thuỷ lùc

M· sè:

2. 01. 37

Ln ¸n tiÕn sÜ kü tht

ng­êi h­íng dÉn khoa häc:
1. PGS. TS. Vâ sü Huúnh
2. TS. NguyÔn thị Xuân Thu

hà nội - 2004


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả ln ¸n

NCS. Ngun Tïng Phong


Mục lục
phần Mở đầu .............................................................................................................................................. 1
chương 1: Tổng quan về nghiên cứu chế tạo và sử dụng tua bin xung kích
hai lần .......................................................................................................................................................... 3

1.1. Tổng quan về nghiên cứu tua bin XK2L trên thế giới ....................................5
1.1.1. Phạm vi sử dụng tua bin XK2L ...................................................................8
1.1.1.1. Nghiên cứu và chế tạo tua bin XK2L của HÃng Ossberger (Đức)........11
1.1.1.2. Nghiên cứu và chế t¹o tua bin XK2L cđa H·ng CINK (CH SÐc) .........13
1.1.1.3. Nghiên cứu và chế tạo tua bin XK2L của hÃng IREM (ý) ....................14
1.1.1.4 Nghiên cứu và chế tạo tua bin XK2L ở Trung Quốc ..............................15

1.1.2. Những nghiên cứu về các thông số và kết cấu ảnh hưởng tới hiệu suất
tua bin XK2L ........................................................................................................15
1.1.2.1. Xác định hướng nghiên cứu ...................................................................16
1.1.2.2. Các thông số ảnh hưởng tới hoạt động và hiệu suất tua bin XK 2L......17
1.2. Nghiên cứu và chế tạo tua bin XK2L tại Việt Nam.......................................22
1.2.1. Phạm vi sử dụng.........................................................................................23
1.2.2. Công nghệ chế tạo .....................................................................................23
1.2.3 Nghiên cứu và thiết kế tua bin XK2L.........................................................23
1.3. Một số nhận xét và định hướng nghiên cøu ...................................................29
1.3.1. Mét sè nhËn xÐt ..........................................................................................29
1.3.2. NhiƯm vơ nghiªn cứu của luận án ............................................................30
chương 2: Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế tua bin XK2L kết cấu
cánh hướng kiểu cung tròn và ống hút ............................................................................... 32

2.1. Cơ së lý thuyÕt tua bin xung kÝch hai lÇn [28] ...............................................32
2.2.1. Chuyển động của dòng chảy qua bánh công tác tua bin XK2L ..............32
2.1.2. Xây dựng các thông số của BCT ...............................................................36
2.1.2.1. Góc đặt cánh ........................................................................................36
2.1.2.2. Bề rộng đĩa cánh ...................................................................................37
2.1.2.3. §­êng kÝnh BCT ...................................................................................40
2.2. Më réng lý thuyÕt tua bin XK2L và dòng chảy tuyệt đối qua tua bin [28] 41
2.3. Vßi phun ............................................................................................................44
2.3.1. Lý thuyÕt vßi phun [28] ..............................................................................44
2.3.2. Xây dựng biên dạng vòi phun ....................................................................45
2.4. Cánh hướng dòng hay cơ cấu điều chỉnh lưu lượng ......................................48
2.4.1. Cánh hướng kiểu cung tròn của hÃng CINK. ..........................................48
2.4.2. So sánh kết cấu vòi phun kép và cánh hướng kiểu cung tròn. ................49
2.5. Nghiên cứu sử dụng ống hút cho tua bin XK2L cánh hướng cung tròn .....50

2.5.2. Nghiªn cøu sư dơng èng hót cho tua bin XK2L ......................................51
2.5.2.1. Đặc điểm kết cấu ống hút của tua bin XK2L ........................................52
2.5.2.2. So s¸nh èng hót cđa tua bin phản kích và tua bin XK2L ......................52
2.5.3. Tính toán tổn thÊt trong èng hót...............................................................54
2.5.4. HƯ sè phơc håi cđa èng hút .......................................................................58
2.6. Giới thiệu phần mềm tính toán, thiết kế tua bin XK2L ...............................59
2.7. Tính toán độ bền lá cánh BCT ........................................................................62
2.7.1. Xác định các thông số kỹ thuật và h×nh häc cđa BCT tua bin ................62
2.7.1.1. VËn tèc theo ..........................................................................................64
2.7.1.2. Vận tốc tương đối ..................................................................................64
2.7.1.3. Vận tốc tuyệt đối của dòng chảy ở vị trí bất kỳ ....................................64
2.7.1.4. Góc hợp bởi Ci và trục OY ....................................................................64
2.7.2. Tính toán độ bền lá cánhBCT ...................................................................65
2.7.3. Sử dụng phần mềm MATLAB để xác định lực tác dụng lên lá cánh .....66
2.7.4. Sử dơng ANSYS trong tÝnh to¸n bỊn l¸ c¸nh ...........................................68
2.7.4.1. Chu kỳ biến đổi của lực tác dụng lên lá cánh .......................................68
2.7.4.2. Xây dựng mô hình tính toán lá cánh trong ANSYS ..............................69
2.7.4.3. Xây dựng mô hình các phần tử hữu hạn ................................................70
2.7.4.4. Lựa chọn các ràng buộc. ......................................................................70
2.7.5. Tính độ bền tĩnh lá cánh ...........................................................................70
2.7.5.1. Đặt lực vào mô hình..............................................................................70
2.7.5.2. Chạy chương trình và lấy kết quả .........................................................71
2.7.6. Nghiên cứu ¶nh h­ëng cđa ®­êng kÝnh (D1) BCT tíi ®é bỊn lá cánh....72
chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm tuabin mô hình ...................................................... 76

3.1. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................76
3.2. Tính toán thiết kế các tua bin mô hình ..........................................................77
3.2.1. Cơ sở mô hình hoá .....................................................................................77
3.2.2. Thiết kế tua bin thử nghiệm ......................................................................79
3.2. Tính toán thiết kế BCT tua bin mô hình ........................................................80

3.2.1. Chọn đường kính bánh công tác tua bin mô hình(D1) ...........................80
3.2.2. Xác định số vòng quay ...............................................................................80
3.2.3. Các thông số khác ......................................................................................81
3.2.4. Thiết kế biên dạng lá cánh ........................................................................81
3.3. Tính toán thiết kế vòi phun .............................................................................82
3.3.1. Biên dạng vòi phun ....................................................................................82
3.4.2. Chiều rộng vòi phun ..................................................................................83
3.5. Tính toán lý thuyết ống hút cho các tua bin mô hình ...................................83
3.5.1. Tính toán các giá trị tổn thất thuỷ lực ống hút.........................................83


3.5.2. Mét sè nhËn xÐt ..........................................................................................86
3.6. ThÝ nghiÖm tua bin mô hình ............................................................................86
3.6.1. Đường đặc tính tổng hợp chính.................................................................86
3.6.2. Giá thử nghiệm tua bin ..............................................................................87
3.6.2.1 Mô tả chung hệ thống ...........................................................................87
3.6.1.2. Các hạng mục và thiết bị trong hệ thống ..............................................88
3.6.3. Xác định các thông số của tua bin mô hình (cột nước thấp và cột nước
cao) và hệ thống thí nghiệm ...............................................................................93
3.6.4. Phương pháp thực nghiệm Tua bin ..........................................................93
3.6.4.1. Các số liệu thực nghiệm .......................................................................93
3.6.4.2. Quá trình đo..........................................................................................94
3.6.4.3. Xử lý d÷ liƯu thÝ nghiƯm.........................................................................95
3.6.4.4. Xư lý bé d÷ liƯu .....................................................................................97
3.7. Kết quả thực nghiệm ......................................................................................103
3.7.1. Nhận xét các kết quả thực nghiệm ..........................................................103
3.7.2. Nhận xét về kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ...................107
3.7.2.1. Hệ số phản lực của tua bin mô hình ...................................................107
3.7.2.2. Hệ số vòi phun ....................................................................................107
3.7.2.3. ảnh hưởng của ống hút tới phạm vi làm việc và hiệu suất .................109

chương 4: Đánh giá kết quả nghiên cứu và kết luận .................................................. 113

4.1. Kết cấu vòi phun cánh hướng và cơ cấu cánh hướng kiểu cung tròn ....113
4.1.1. Vòi phun và cánh hướng cung trßn ........................................................113
4.1.1.1. NhËn xÐt ..............................................................................................113
4.1.1.2 HƯ sè vßi phun .....................................................................................114
4.1.2. Xác định giá trị hệ số vòi phun bằng thùc nghiƯm ...........................114
4.2. èng hót ............................................................................................................115
4.2.1. NhËn xÐt ...................................................................................................115
4.2.2. Ph­¬ng pháp lựa chọn thông số của ống hút.........................................115
4.2.3. Kết luận về thông số của ống hút ............................................................116
4.3. Phương pháp tính to¸n bỊn c¸nh tua bin XK2L .........................................117
4.3.1. NhËn xÐt ...................................................................................................117
4.3.2. Phương pháp tính toán độ bền lá cánh ...................................................118
4.3.3. Kết luận về tính toán độ bền lá cánh ......................................................118
Kết luận và những đóng góp của luận án ......................................................................... 119
Tài liệu tham kh¶o ........................................................................................................................... 122


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
XK2L
BCT
B
bvp
D1
D2
e
Fvp
g
H

Hvp
Hck

Xung kích hai lần
Bánh công tác
Chiều rộng bánh công tác (mm)
Chiều rộng vòi phun (m)
Đường kính ngoài bánh công tác(mm)
Đường kính trong bánh công tác(mm)
Số logariths tự nhiên = 2,7183
Diện tích vòi phun (m2)
Gia tèc träng tr­êng (m/s2)
Cét n­íc cđa tua bin (m)
Cột áp tại vòi phun (m)
Cột áp chân không (m)

H

Sai số giới hạn tương đối của cột áp (%)

H*

Sai số mạch động của cột áp (%)

H
Hth
hWBH
hms
hloe
hra

L
l/t
M
N
Nra
Nvào

Sai số tổng cộng của cột áp (%)

N

Sai số giới hạn tương đối của công suất (%)

N*

Sai số mạch động của công suất (%)

N
n
ns

Sai số tổng cộng của công suất (%)

Cột áp chân không thuỷ ®éng (m)
Tỉn thÊt èng hót (m)
Tỉn thÊt do ma s¸t cđa èng hót (m)
Tỉn thÊt do thay ®ỉi tiÕt diƯn của ống hút (m)
Tổn thất động năng cửa ra của ống hút (m)
Chiều dài ống hút (m)
Độ mau của dẫy cánh

Mô men (Nm)
Công suất tua bin (kW)
Công suất trên trục (kW)
Công suất thuỷ lực (kW)

Vòng quay (Vòng/phút)
Số vòng quay đặc tr­ng (Vßng/phót)


n1

Vòng quay quy dẫn (vòng/phút)

p

áp suất (Kg/cm2)

pa

áp suất khí quyển (Kg/cm2)

Pth

áp suất chân không thuỷ động (at)

pvp
Qtt
Qlt
Q1

áp suất vòi phun (Kg/cm2)
L­u l­ỵng thùc tÕ (m3/s)
L­u l­ỵng lý thut (m3/s)
L­u l­ỵng quy dẫn (m3/s)

Q

Sai số giới tương đối của lưu lượng (%)

Q*

Sai số mạch động của lưu lượng (%)

Q
Qk
R3
Re
XM
X
z
U
W
C
So

Sai số tổng céng cđa l­u l­ỵng (%)

η

HiƯu st tua bin (%)

ηphh

HƯ sè phơc håi èng hót

ψ

HƯ sè tỉn thÊt trong BCT

λo

Gãc «m vòi phun



Trọng lượng riêng (N/m3)



Khối lượng riêng (Kg/m3)



Vận tốc góc (rad/s)



Hệ số vòi phun

Hiệu suất vòi phun

1

Góc vào bánh công tác (độ)

1, 2

Góc vận tốc tương đối tại mép vào/ra lá cánh (độ)

Lưu lượng qua khe cánh của bánh công tác (m3/s)
Bán kính cong của lá cánh (mm)
Số Râynôn (không thứ nguyên)
Giá trị đo tới hạn
Giá trị đo thực
Số lượng lá cánh BCT
Vận tốc vòng (vận tốc theo) (m/s)
Vận tốc tương đối (m/s)
Vận tốc tuyệt đối (m/s)
Chiều cao vòi phun (m)


θ

Gãc loe cđa èng hót

ξms

HƯ sè tỉn thÊt do ma sát (không thứ nguyên)

loe

Hệ số tổn thất do thay đổi tiết diện (không thứ nguyên)

ra

Hệ số tổn thất động năng dòng ra (không thứ nguyên)

X

Sai số tương đối của giá trị đo

Y

Sai số giới hạn tương đối của kết quả đo

m

Cấp chính xác của thiết bị đo



Sai số giới hạn tương đối của hiệu suất (%)



Sai số giới hạn tổng céng cđa hiƯu st (%)

Danh mục các bảng biểu
Bảng 1. 1. Một số kết quả nghiên cứu lý thuyết về hiệu suất của tua bin XK2L [17] ..5
B¶ng 1.2. HiƯu st lín nhÊt (ηmax) của tua bin XK2L đạt được bằng nghiên cứu thí
nghiệm [16,17,18] .......................................................................................................6
Bảng 1.3. Một số TTĐ sử dụng tua bin XK2L điển hình ............................................8
Bảng 1.4. Một số nghiên cứu thay đổi góc vào .........................................................18
Bảng 1.5. Thông số một số công trình thuỷ điện nhỏ giai đoạn 1990-2004 .............24
Bảng 3.1. Các thông số thiết kế của tua bin mô hình ................................................79
Bảng 3.2. Thông số hình học các ống hút của tua bin mô hình ................................83
Bảng 3.3. Kết quả tính toán thuỷ lực ống hút của các mô hình.................................85
Bảng 3.4 Hệ số phản lực của các tua bin mô hình...................................................107
Bảng 3.5. Một số thông số thực nghiệm tua bin mô hình ở chế độ mở hoàn toàn ..108
Bảng 3.6. Quan hệ các th«ng sè cđa èng hót víi hiƯu st lín nhÊt của tua bin mô
hình ..........................................................................................................................109


Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1. So sánh hiệu suất và quan hệ điện lượng của tua bin XK2L và tua bin tâm
trục [32] .......................................................................................................................4
Hình 1.2. Kết cấu tua bin XK2L kiĨu Ossberger ........................................................7
H×nh 1.3. KÕt cÊu tua bin XK2L kiểu CINK ...............................................................7
Hình 1.4. Biểu đồ sử dụng tua bin của hÃng Hitachi ...................................................9
Hình 1.5. Biểu đồ sử dụng tua bin của hÃng Fuji Electric...........................................9
Hình 1.6. Biểu đồ sư dơng tua bin cđa h·ng Kubota. ................................................10
H×nh 1.7. BiĨu đồ sử dụng tua bin của máy cơ khí Lâm Hải (Trung Quốc) .............11
Hình 1.8. Biểu đồ sử dụng tua bin của Ossberger (Đức) ...........................................12
Hình 1.9. Đường biểu diễn hiệu suất của tua bin XK2L được xây dựng từ 3 đường
hiệu suất tương ứng với 1/3, 2/3 và đầy tải hay 1/3Q, 2/3Q và toàn bộ lưu lượng Q
...................................................................................................................................12
Hình 1.10. Phạm vi làm việc và đặc tính hiệu suất của tua bin CINK. .....................13

H×nh 1.11. Tua bin CINK cét n­íc thấp ...................................................................13
Hình 1.12. Biểu đồ sử dụng tua bin của h·ng IREM ................................................14
H×nh 1.13. Tua bin XK2L cđa h·ng IREM ...............................................................14
Hình 1.14. Kích thước hình học của mũi phun và BCT của tua bin XK2L ...............16
Hình 1.15. Cánh hướng dòng kiểu Ossberger. ..........................................................26
Hình 1.16. Mô hình nghiên cứu tua bin CINK với ống hút.......................................30
Hình 2.1. Chuyển động của dòng tia qua BCT ..........................................................32
Hình 2.2. Sự giao nhau của các dòng tia khi chảy qua bánh công tác ......................33
Hình 2.3. Tam giác vận tốc ......................................................................................34
Hình 2.4. Bước cánh BCT tua bin XK2L...................................................................36
Hình 2.5. Các tam giác vận tốc khi điểm B trùng điểm C .........................................37
Hình 2.6. Tam giác vận tốc .......................................................................................37
Hình 2.7. Quỹ đạo của dòng tia bên trong BCT ........................................................40
Hình 2.8: Quỹ đạo của phần tử chất lỏng qua BCT ...................................................43
Hình 2.9. Các mặt cắt dòng chảy vào tua bin XK2L.................................................44
Hình 2.10. Dòng vào lý tưởng của tua bin XK2L .....................................................45
Hình 2.11. Phương pháp xây dựng biên dạng vòi phun đường cong logariths..........46
Hình 2.12. Diện tích dòng vào tua bin XK2L ...........................................................46
Hình 2.13. Kết cấu cánh hướng kiểu cung tròn của tua bin CINK. ..........................48
Hình 2.14. Cánh hướng dòng kiểu ossberger và kiểu cung tròn của CINK. ............49
Hình 2.15. Đặc tÝnh cđa tua bin XK2L kiĨu CINK ...................................................49


Hình2.16. Dòng chảy trong tua bin mô hình sử dụng ống hút ..................................53
Hình 2.17. Dòng chảy trong tua bin mô hình với ống hút.........................................53
Hình 2.18. Sơ đồ ống hút loe thẳng, tiết diện chữ nhật. ............................................55
Hình 2.19. Đồ thị quan hÖ ξ ms = f(θ), ξ loe = f(θ), ξ ra = f(), = f() với
Hình 2.20. Đồ thÞ quan hƯ ∑ ξ = f(θ) víi

L

= 3 .57
a

L
thay đổi ............................................57
a

Hình 2.21. Tam giác vận tốc và các thông số hình học của cánh Tua bin ................63
Hình 2.22. Tam giác vận tốc dùng để xác định lực tác dụng lên cánh tua bin .........66
Hình 2.23. Sơ đồ khối của chương trình tính toán trong Matlab ..............................67
Hình 2.24. Biểu đồ biến đổi lực tác dụng lên lá cánh BCT .......................................68
Hình 2.25. Các nút của phần tử SHELL63 ................................................................69
Hình 2.26. Mô men và lực tác dụng lên phần tử SHELL 63 .....................................69
Hình 2.27. Phân bố ứng suất trên mặt trung bình của lá cánh .................................71
Hình 2.28. Phân bố ứng suất theo chiều dầy lá cánh ................................................72
Hình 2.29. Quan hệ phụ thuộc của ứng suất Max vào D1 .........................................74
Hình 2.30. Quan hệ phụ thuộc biến dạng lá cánh vào D1.........................................74
Hình 3.1. Xây dựng biên dạng lá cánh một cung tròn ..............................................81
Hình 3.2. Xây dựng biên dạng vòi phun tua bin mô hình .........................................82
Hình 3.3. Đồ thị =f() với L/a4=2,8 của các mô hình (1-a,1-b và 1-c) ...................86
Hình 3.4. Sơ đồ giá thí nghiệm tua bin......................................................................87
Hình 3.5. ảnh chụp toàn cảnh khu thí nghiệm .........................................................88
Hình 3.6. Sơ đồ hệ thống đo đạc và xử lý số liệu. ....................................................91
Hình 3.7. Tua bin mô hình và các thiết bị đo lường ..................................................92
Hình 3.8. Đường quan hệ = f(nI) và nI=f(QI) thực nghiệm ................................99
Hình 3.9. Đường đặc tính tổng hợp của Mô hình 1 Không ống hút ...................100
Hình 3.10.Đường đặc tính tổng hợp của Mô hình 1-b ống hút góc loe =18o ..100
Hình 3.11. Đường đặc tính tổng hợp của Mô hình 1-a ống hút góc loe =22o .101
Hình 3.12 Đường đặc tính tổng hợp của Mô hình 1-c ống hút góc loe =11o ..102
Hình 3.13 Đường đặc tính tổng hợp của Mô hình 2-a ống hút góc loe =11o ..103

Hình 3.14 Đường đặc tính tổng hợp của Mô hình 2-b Không ống hút ..............103
Hình 3.15. Quan hệ áp suất vòi phun và áp suất chân không với vòng quay Mô hình
1-b - ống hút góc loe =18o .....................................................................................105
Hình 3.16. So sánh đồ thị quan hệ =f(Q'I) của mô hình 1; 1-b và 2-a; 2-b ...........110


Hình 3.17. So sánh đồ thị quan hệ n'I = f(Q1) mô hình 1; 1-b và 2-a; 2-b
ở chế
độ tối ưu ...................................................................................................................111
Hình 3.18. So sánh hệ số phục hồi ống hút và hiệu suất lớn nhất của các tua bin mô
hình 1-a, 1-b, 1-c. ....................................................................................................112
Hình 4.1 Mô tả đường dòng trong vòi phun cánh hướng kiểu cung tròn và ...........113
vòi phun kép bằng phần mềm ANSYS ....................................................................113
Hình 4.2. Đồ thị quan hÖ ξ ms = f(θ), ξ loe = f(θ), ξ ra = f(θ), ∑ ξ = f(θ) víi
H×nh 4.3. §å thÞ quan hƯ ∑ ξ = f(θ) víi

L
= 3 116
a

L
thay ®ỉi ...........................................116
a


Lời cảm ơn
Để hoàn thành luận án, tác giả đà nhận được sự quan tâm, giúp đỡ rất lớn
của các cơ quan đào tạo là Trường Đại học Bách khoa Hà nội, của Viện Khoa
học Thuỷ lợi, các nhà khoa học và các đồng nghiệp tại Trung tâm Thuỷ điện.
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình về chuyên môn của Bộ

môn kỹ thuật Thuỷ khí Hàng không, Khoa Đào tạo và Bồi dưỡng sau Đại học
và Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Hà nội. Đặc biệt cám ơn sự giúp đỡ
của các thày, cô giáo hướng dẫn trực tiếp là PGS.TS Võ Sỹ Huỳnh, TS Nguyễn
Thị Xuân Thu, GS.TSKH Vũ Duy Quang, PGS.TS Đinh Ngọc ái, PGS.TS Lê
Danh Liên, GS.TS Ngô Sỹ Lộc, PGS.TS Nguyễn Thế Mịch, TS Nguyễn Phú
Vịnh và PGS.TS Trần Văn Nghĩa.
Cảm ơn sự giúp đỡ của Viện Khoa học Thuỷ lợi, PGS.TS Nguyến Tuấn
Anh, các nhà khoa học và các đồng nghiệp ở Viện khoa học thuỷ lợi.
Cảm ơn sự giúp đỡ của các nhà khoa học: PGS.TS Phan Kỳ Nam, PGS.TS
Đặng Xuân Thi, PGS.TS Nguyễn Viết Phách, PGS.TS Hồ Sĩ Dự.
Đặc biệt cảm ơn sự giúp đỡ của các cán bộ và đồng nghiệp Trung tâm
Thuỷ điện, Viện Khoa học Thuỷ lợi đà giúp đỡ hoàn thành bản luận án này.

Tác giả luận án


1

Phần Mở đầu
Trong những năm gần đây, các nguồn năng lượng mới và năng lượng tái
tạo đà được thế giới quan tâm và phát triển. Nhiều dự án về năng lượng tái tạo,
điện khí hoa nông thôn bằng các nguồn ngoài lưới do các tổ chức quốc tế như
Ngân hàng thế giới (WB), Tổ chức hợp tác quốc tế Nhật bản (JICA)đà và đang
được triển khai ở Việt nam. Trong các dự án đó, thuỷ điện nhỏ được đặc biệt
quan tâm và được xem như một giải pháp quan trọng.
Nghiên cứu, chế tạo thiết bị cho thuỷ điện nhỏ và cực nhỏ đà được nhiều
cơ quan trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu với mục tiêu chủ yếu là cải
tiến hoặc thay đổi kết cấu để nâng cao hiệu suất cũng như mở rộng phạm vi sử
dụng các loại tua bin cho thuỷ điện nhỏ và cực nhỏ. ở Việt nam, đà có một số cơ
quan nghiên cứu và sản xuất tua bin cho thuỷ điện nhỏ như Trường Đại học Bách

khoa Hà nội, Viện nghiên cứu máy, Viện khoa học thuỷ lợi
Từ nhiều năm trước đây, tua bin XK2L đà được sử dụng rộng rÃi cho các
trạm thuỷ ®iƯn nhá vµ thủ ®iƯn cùc nhá. So víi mét số loại tua bin khác, tua bin
XK2L có rất nhiều ưu điểm phù hợp với thuỷ điện nhỏ như : vùng làm việc khá
rộng (mặc dù hiệu suất đỉnh có thể thấp hơn), kết cấu đơn giản (các lá cánh của
BCT là dạng cánh trụ, có biên dạng cung tròn), không có thành phần lực hướng
trục, độ bền cao và dễ chế tạo.
Trung tâm thuỷ điện, Viện khoa học thuỷ lợi là một trong những cơ quan
đà tập trung nghiên cứu và ứng dụng loại tua bin này từ những năm 80 thông qua
nhiều đề tài, dự án nghiên cứu khoa học công nghệ cấp Bộ và cấp nhà nước để
từng bước nghiên cứu và nâng cao chất lượng loại tua bin này. Nội dung các đề
tài nghiên cứu này tập trung nghiên cứu để lựa chọn các thông số thiết kế phù
hợp với Việt nam trên cơ sở tham khảo tài liệu và trao đổi với một số cơ quan
nghiên cứu và các hÃng sản xuất tua bin XK2L trên thế giới . Cho đến nay, đà có
khoảng 120 tua bin XK2L đà được chế tạo và lắp đặt cho các trạm thuỷ điện nhỏ,
chiếm khoảng 80% tổng số thiết bị do Viện khoa học thuỷ lợi chế tạo. Tuy nhiên,
do thiếu tài liệu nghiên cứu, tính toán thiết kế, chủ yếu là tham khảo tài liệu giới
thiệu của nước ngoài nên thực tế công suất các tua bin XK2L đà chế tạo không
đảm bảo, hiệu suất nhiều tổ máy thấp, làm việc thiếu tin cậy, không ổn định.
Nhằm tiếp tục nâng cao hiệu suất và mở rộng phạm vi ứng dụng loại tua bin
này, từ những năm 80 đến năm 1997, nhiều cơ quan nghiên cứu và hÃng chế tạo
tua bin của các nước công nghiệp phát triển (G7) đà tiến hành nhiều nghiên cứu


2

lý thuyết và thực nghiệm. Những kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy, nghiên
cứu tua bin XK2L theo hướng nửa phản kích sẽ nâng cao được hiệu suất và mở
rộng phạm vi sử dụng loại tua bin này. Trên quan điểm này, các nghiên cứu thực
nghiệm đà được tiến hành với việc thay đổi một số thông số thiết kế và kết cấu

của BCT, vòi phun và sử dụng ống hútđể nâng cao hiệu suất cũng như mở rộng
phạm vi sử dụng tua bin XK2L, đặc biệt ở cột nước thấp. Tuy nhiên, ỏ trong nước
chưa có đề tài nghiên cứu đề cập đến vấn đề này. Vi vậy, đề tài nghiên cứu của
luận án có ý nghĩa thực tiễn, cần thiết trong việc góp phần nâng cao hiệu suất và
mở rộng phạm vi ứng dụng cho các TTĐ nhỏ và cực nhỏ ở Việt nam.
Trên cơ sở tổng hợp và phân tích những kết quả nghiên cứu lý thuyết và
thực nghiệm về tua bin XK2L, đề tài đà nghiên cứu và xây dựng cơ sở cho các
bước nghiên cứu của đề tài. Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm, đánh giá ảnh hưởng của các thông số thiết kế (vòi phun, ống hút và
độ bền) đến đặc tính làm việc và hiệu suất của tua bin. Dựa vào các công thức
tính toán thiết kế truyền thống, qua phân tích và đánh giá kết quả nghiên cứu
lý thuyết và thực nghiệm, đề tài đà xây dựng được công thức tính toán mới,
giúp cho quá trình tính toán thiết kế tua bin XK2L hoàn chỉnh hơn.
Đề tài mang ý nghÜa thùc tiƠn trong viƯc n©ng cao hiƯu st tua bin, më
réng ph¹m vi sư dơng tua bin XK2L, đặc biệt ở vùng cột nước thấp (để thay thế
một số loại tua bin khác), cho thuỷ điện nhỏ và thuỷ điện cực nhỏ, qua đó nâng
cao hiệu quả và khai thác tối đa nguồn thuỷ năng tự nhiên phong phó cđa n­íc
ta, phơc vơ ph¸t triĨn kinh tÕ xà hội cho đồng bào miền núi. ứng dụng các
chương trình tính toán của luận án sẽ giúp cho người sử dụng, thiết kế, và tính
toán kiểm tra các thông số của tua bin phù hợp với các yêu cầu của thực tế. Trên
cơ sở này có thể phát triển hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm khảo sát dòng chảy
và các dạng tổn thất trong bánh công tác của tua bin XK2L theo hướng nghiên
cứu mới.
Luận văn đà chọn néi dung" Nghiªn cøu øng dơng tua bin XK2L cã đặc
tính nửa phản kích nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng cho các TĐN ở Việt nam "
là đề tài nghiên cứu nhằm góp phần giải quyết những vấn đề nêu trên, tận dụng
nguồn thuỷ năng phong phú ở Việt nam và đáp ứng một phần yêu cầu của thực tế
sản xuất và đời sống.

3

Chương 1
Tổng quan về nghiên cứu chế tạo và sử dụng
tua bin xung kích hai lần

Vấn đề năng lượng sạch ngày càng được chú ý và lĩnh vực thuỷ điện nhỏ
cũng được phát triển nhanh. Do vậy, tua bin XK2L ngày càng được sử dụng rộng
rÃi cho các trạm thuỷ điện nhỏ và cực nhỏ trên thế giới và ở Việt nam. Tua bin
XK2L có nhiều ưu điểm:
(a)

Hiệu suất

Đặc điểm quan träng vµ nỉi bËt nhÊt cđa tua bin XK2L là hiệu suất rất phù
hợp cho thuỷ điện nhỏ. Các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm từ nước ngoài cho
thấy hiệu suất đỉnh của tua bin XK2L thấp hơn các loại tua bin khác (ví dụ, như
tua bin tâm trục - Francis), tuy nhiên phạm vi của vùng hiệu suất cao rất rộng, do
vậy điện lượng thu được của tua bin XK2L cao hơn so với tua bin tâm trục. Các
kết quả nghiên cứu của hÃng Entec (Thuỵ sĩ) cho thÊy hiƯu st lín nhÊt cđa tua
bin XK2L cã thể đạt max = 86%.
Chiều rộng BCT được làm 2 phần ( theo tỷ lệ 1/3 và 2/3 tổng chiều rộng
làm việc cho phép) đà làm mở rộng vùng hiệu st cao cho tua bin XK2L phï
hỵp víi sù thay đổi về lưu lượng dòng chảy theo mùa.
Có thể kết luận rằng, tua bin XK2L có đặc tính năng lượng rất tốt và rất
phù hợp đối với thuỷ điện nhỏ.
(b)

Kết cấu và độ bền

Tua bin XK2L có kết cấu đơn giản với hệ thống vòi phun đơn giản, ít chi
tiết. Cấu trúc vỏ dễ định vị và có thể tháo lắp, sửa chữa dễ dàng.


4



Hình 1.1. So sánh hiệu suất và quan hệ điện lượng của tua bin XK2L và tua
bin tâm trục [32]
Do không có thành phần lực dọc trục nên không có hiện tượng phá vỡ ổ
trục như tua bin hướng trục và tua bin tâm truc. Do có thể sử dụng ổ lăn cho tua
bin XK2L, trong khi một số loại tua bin khác phải dùng ổ trượt nên giá thành chế
tạo của tua bin XK2L thấp hơn.
Ngoài ra, do lực đóng mở cánh hướng nhỏ nên giảm đáng kể giá thành của
điều tốc tự động.
Tua bin XK2L có kết cấu gọn nhẹ, đơn giản nên có độ bền cao, bố trí mặt
bằng tốn ít diện tích, giảm giá công trình tr¹m.


5

1.1. Tỉng quan vỊ nghiªn cøu tua bin XK2L trªn thÕ giíi
Tua bin XK2L do A.G.M Michell (ng­êi ¸o) ph¸t minh vo năm 1903.
Sau đó, giáo sư Donat BanKy đà xây dựng cơ sở lý thuyết vo năm 1917-1919
nên cũng ®­ỵc gäi là tua bin Michell – BanKi. Tua bin XK2L đà được nghiên
cứu, thiết kế và chế tạo để sử dụng cho hàng nghìn trạm thuỷ điện nhỏ trên thế
giới với công suất đến hàng nghìn kW. Cho đến nay, với những ưu điểm của loại
tua bin này, nhiều nước trên thế giới ngày càng có xu hướng sử dụng và phát
triển tua bin XK2L cho TĐN. ở một số nước công nghiệp phát triển như Nhật

Bản, Đức, ý, Anh, Mỹtừ lâu tua bin XK2L đà chiếm một vị trí rất quan trọng
trong TĐN. Trong nhiều năm trước đây, Trung Quốc coi tua bin XK2L là loại tua
bin có hiệu suất thấp nên chỉ tập trung nghiên cứu và chế tạo nhiều chủng loại
tua bin khác nhau cho TĐN. Tuy nhiên, trong khoảng 5 năm gần đây cũng đà tËp
trung nghiªn cøu tua bin XK2L. NhiỊu tỉ chøc qc tế đà trợ giúp kĩ thuật cho
các nước đang phát triển để nghiên cứu, ứng dụng tua bin XK2L như SKAT
(Thuỵ Sĩ), IT (Anh), Entec (Thuỵ Sĩ) Các hÃng sản xuất tua bin đà công bố
những kết quả nghiên cứu míi nhÊt vỊ tua bin XK2L. ThÝ nghiƯm t¹i tr­êng Đại
học Brno (CH Séc) cho thấy hiệu suất đạt tới 89%, đồng thời sử dụng hiệu quả
cột nước hút Hs = 2 4m [35]. Trường Đại học Clemson (Mỹ) đà công bố các
kết quả của hơn 400 mẫu thí nghiệm của hai tác giả Aziz và Desai. Các kết quả
cho thấy tua bin XK2L có thể đạt tới hiệu suất 89% [35] với sự kết hợp hữu hiệu
giữa các thông số kỹ thuật của vòi phun và bánh công tác. Thực tế nghiên cứu,
chế tạo tua bin XK2L tại ViƯt Nam cịng cho thÊy tua bin XK2L dƠ thiÕt kế, chế
tạo và có độ bền cao.
Bảng 1. 1. Một số kết quả nghiên cứu lý thuyết về hiệu suất của tua bin XK2L [17]
Tác giả
Donat Banki (Hungari)
Mockmore & Merryfield (Mỹ)
Haimerl (Mỹ)
Balje (Đức)
Durgin & Fay (Mỹ)

Năm

max

1917 1919
1949
1960

1980
1984

92% (chất lỏng lý tưởng)
87,8%
82% (dự đoán)
73%, 82% (có ống hút)
66%


6

B¶ng 1.2. HiƯu st lín nhÊt cđa tua bin XK2L đạt được qua
nghiên cứu thực nghiệm [16],[17],[18]
Tác giả
Mockmore (Mỹ)
Varga (Mỹ)
Jonhson(Mỹ)
Nakase (NhËt)
Durgin & Fay (Mü)
Khosrowpanah (Mü)
Hother sall (Mü)
Ott & Champell (Mü)
Fiuzat & Ankerkar (Mỹ)
Aziz & Desai (Mỹ)

Năm

max

1949
1959
1982
1982
1984
1984
1985
1989
1989
1993

68%
77%
80%
82%
66%
80%
75%
79%
89%
90%

Nói chung, phạm vi sử dụng tua bin XK2L của các hÃng chế tạo tua bin
giới thiệu với các thông số kỹ thuật:
Cột nước:
H = 5 - 100m
Công suất:

P 1000 kW

Ngoài ra, một số hÃng sản xuất tua bin khác, ví dụ như ossberger (CHLB
Đức) giới thiệu phạm vi sử dụng lớn hơn với :
Cét n­íc:
H = 5 - 200m
C«ng st:

P ≤ 2000 kW

VỊ kết cấu, tua bin XK2L được sử dụng rộng rÃi víi kiĨu ossberger vµ tua
bin CINK (Céng hoµ SÐc). Tua bin XK2L kiểu ossberger hay còn gọi là kết cấu
vòi phun kép, do kỹ sư người Đức nghiên cứu, hoàn thiện và đưa vào sản xuất từ
năm 1922. HÃng ossberger đà đưa ra thị trường hơn 5000 tổ máy XK2L với công
suất 1- 1000 kW và đà khẳng định được vị thế của loại tua bin này trên thị trường
thuỷ ®iƯn nhá.
Tua bin XK2L kiĨu CINK ®­ỵc kü s­ ng­êi Cộng Hoà Séc đề xuất từ
những năm 1980 với kết cấu vòi phun kiểu cung tròn, khác biệt hẳn với tua bin
XK2L trun thèng. Cho ®Õn nay, tua bin kiĨu CINK đà từng bước thể hiện được
những ưu thế của mình nhờ kết cấu điều chỉnh lưu lượng linh hoạt, do vậy luôn
duy trì được chế độ làm việc tối ưu với mọi chế độ phụ tải khác nhau.


7

H×nh 1.2. KÕt cÊu tua bin XK2L kiĨu Ossberger

H×nh 1.3. KÕt cÊu tua bin XK2L kiĨu CINK
VỊ ph¹m vi sư dụng, với những ưu điểm của tua bin XK2L, hiện nay một
số hÃng đà mở rộng phạm vi ứng dung tua bin XK2L, đặc biệt là sử dụng tua bin
XK2L ở vùng cột nước thấp, và quy mô và công suất mà theo quan điểm cũ thì
chỉ sử dụng cho các loại tua bin khác như tua bin hướng trục, tua bin tâm trục.

Kết quả nghiên cứu hiệu suất lớn nhất (hiệu suất đỉnh) của tua bin XK2L
đà được trình bầy trong Bảng 1.1 & Bảng 1.2. Tuy nhiên những c«ng bè hiƯu st
cao ηmax = 85 – 90% ch­a được chấp nhận rộng rÃi. Thực tế sản xuất chỉ chấp
nhận được max = 83,5% (ở Trung Quốc với mẫu tua bin cã ®­êng kÝnh D1 =
250mm, chiỊu réng BCT B = 290mm), hay 85 – 86% (NhËt B¶n).


8

VỊ kÕt cÊu vßi phun, cã thĨ thÊy kÕt cÊu vòi phun phổ biến là dòng vào
theo phương nằm ngang nh­ kÕt cÊu cđa tua bin ossberger, víi gãc vµo 1=16o
(Hình 1.2). Từ những năm 1980, hÃng CINK bắt đầu đưa ra một kết cấu mới.
Bảng 1.3. Một số TTĐ sử dụng tua bin XK2L điển hình
TT

Tên hÃng sản xuất công trình

1
2
3
4
5
6
7
8
9

TTĐ Raun Chiao (Đài Loan)
TTĐ Hou li (Đài Loan)
ossberger

Cột nước
H (m)
7,7
3,8
2,2
3,12
5,3
29,5
18,5
50
183

Lưu lượng Q Công suất
(m3/s)
N (kW)
4,2
4,3
22,6
1,95
1,1
22,7
7,5
22,75

0,25

230
121
2400
49,5
45,5
2550
1093
2109
360

1.1.1. Phạm vi sử dụng tua bin XK2L
Như đà trình bày ở trên, đà từ lâu tua bin XK2L được sử dụng khá rộng rÃi
cho TĐN. Phần lớn các hÃng nghiên cứu và sản xuất tua bin lớn của Nhật Bản
như Hitachi, Fuji Electric, Meiden, Ebara hay Kubota ®Ịu sư dơng nhiỊu tua bin
XK2L kiĨu ossberger cho T§N.


9

Hình 1.4. Biểu đồ sử dụng tua bin của hÃng Hitachi

Hình 1.5. Biểu đồ sử dụng tua bin của hÃng Fuji Electric


10

Hình 1.6. Biểu đồ sử dụng tua bin của hÃng Kubota.

11

Hình 1.7. Biểu đồ sử dụng tua bin của máy cơ khí Lâm Hải (Trung Quốc)
1.1.1.1. Nghiên cứu và chế tạo tua bin XK2L của HÃng Ossberger (Đức)
HÃng ossberger đà phát minh ra tua bin XK2L vòi phun kép và được cấp
bằng sáng chế N0.615445 vào năm 1933. Cho đến nay, có khoảng 8000 tổ máy
do osseberger sản xuất được lắp đặt ở hơn 80 nước trên thế giới.