Nghiên cứu tua bin nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở Việt Nam

uan hÖ ®−êng kÝnh dßng tia víi hµnh tr×nh van kim. NÕu ®−êng ®Æc tÝnh l−u l−îng Q = f(s) cña vßi phun ®· biÕt th× quan hÖ d0 = f(s) dÔ dµng t×m ®−îc nhê c«ng thøc x¸c ®Þnh d0 qua l−u l−îng. §Ó tÝnh to¸n c¸c thµnh phÇn cña hÖ thèng ®iÒu chØnh cÇn ph¶i biÕt hµm quan hÖ cña c«ng suÊt dßng ch¶y t¸c dông lªn BCT vµ m« men thñy lùc t¸c dông lªn bé phËn l¸i dßng víi vÞ trÝ cña nã khi ®é më cña bé phËn h−íng dßng kh¸c nhau. Trong qu¸ tr×nh chÕ t¹o bé phËn l¸i dßng, c¸c quan hÖ nµy ®−îc x¸c ®Þnh gÇn ®óng b»ng ®å gi¶i. X¸c ®Þnh trÞ sè m« men thñy lùc khi bé phËn l¸i dßng lµm viÖc (h×nh 17). Bé phËn l¸i dßng ®−îc chÕ t¹o vµ ®−a vµo dßng tia sao cho ë chç tiÕp xóc ®Çu tiªn cña dßng tia víi mÆt cña bé phËn l¸i dßng gãc θi gÇn víi 00. Do ®ã toµn bé dßng tia bÞ l¸i chØ cã mét mµ kh«ng ph¶i hai h−íng chuyÓn ®éng. Khi tÝnh to¸n gi¶ thiÕt r»ng h−íng nµy trïng víi h−íng cña tiÕp tuyÕn víi biªn d¹ng cña bé phËn l¸i dßng t¹i cöa ra. NÕu trôc X h−íng song song víi trôc dßng tia cßn trôc Y h−íng lªn trªn vµ gèc täa ®é trïng víi trôc quay cña bé phËn l¸i dßng ta cã: Px= ( )ig QC θγ ′− cos1 ; Py= ig QC θγ ′sin Tæng hîp lùc P = 22 yx pp + ®Ó x¸c ®Þnh m« men thñy lùc cÇn biÕt ®iÓm ®Æt cña tæng hîp lùc, cã thÓ lÊy gÇn ®óng ®iÓm nµy lµ ®iÓm n»m ë chÝnh gi÷a phÇn dßng ch¶y cña mÆt bé phËn l¸i dßng (ki) trªn h×nh (17), khi ®ã: Mtl=Pxyi - Pyxi (3.53) Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 28 H×nh 17. VÞ trÝ cña bé phËn l¸i dßng Khi x¸c ®Þnh biªn d¹ng cña bé phËn l¸i dßng vµ chän vÞ trÝ trôc quay cña nã sao cho gi¸ trÞ m« men thñy lùc kh«ng lín (cho phÐp gi¶m c«ng suÊt vµ t−¬ng øng kÝch th−íc m¸y tiÕp lùc) 3.2.4. Dßng tia tù do trong kh«ng khÝ. Sau khi ra khái vßi phun, dßng tia chuyÓn ®éng tù do trong m«i tr−êng kh«ng khÝ tr−íc khi ®i vµo BCT. C¸c nghiªn cøu cho thÊy r»ng, ngay sau khi ra khái vßi phun, dßng tia ®¹t ®−îc diÖn tÝch nhá nhÊt cña m×nh vµ sau ®ã më réng ra. Sù më réng dßng tia ®−îc gi¶i thÝch lµ do søc c¶n cña kh«ng khÝ ®· lµm chËm chuyÓn ®éng cña nã. BÒ mÆt ngoµi cña dßng tia bÞ gi¶m cét ¸p (h×nh 17). H×nh 18. BiÓu ®å ph©n bè ¸p lùc c¾t ngang dßng tia Tõ lý thuyÕt vÒ tÇng giíi h¹n, V. Sulgin coi dßng tia tr¬n kh«ng khuyÕch t¸n ®· chØ ra r»ng ma s¸t n−íc vµ kh«ng khÝ rÊt nhá, cã thÓ qua. Nh÷ng vïng låi lâm cña θi’ θi Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 29 biÓu ®å vËn tèc theo biªn «ng gi¶i thÝch bëi sù xuÊt hiÖn dÊu vÕt cña c¸c tÇng giíi h¹n. Nh−ng thùc tÕ dßng tia kh«ng thÓ xem lµ tr¬n tuyÖt ®èi. Qua nghiªn cøu b»ng ph−¬ng ph¸p chôp ¶nh cho thÊy bÒ mÆt cña dßng tia cã tÝnh chÊt l−în sãng, tõ nã c¸c phÇn tö chÊt láng bÞ t¸ch ra. Trong khi ®ã dßng tia ch¶y trong ch©n kh«ng cã ®−îc bÒ mÆt tr¬n nh½n h¬n nhiÒu. Râ rµng lµ trong m«i tr−êng kh«ng khÝ cã ¶nh h−ëng thÕ nµo ®ã tíi cÊu tróc líp ngoµi cña dßng tia. Cho ®Õn nay c¸c nghiªn cøu vÒ dßng tia ch¶y trong kh«ng khÝ vÉn ch−a ®−îc hoµn thiÖn ®Ó ®¸nh gi¸ ®Çy ®ñ c¸c tæn thÊt. T¹m thêi chØ cã thÓ nãi tíi tæng tæn thÊt liªn quan ®Õn vßi phun vµ dßng tia mµ ch−a kÕt luËn ®−îc tû lÖ tõng lo¹i tæn thÊt riªng trong c©n b»ng n¨ng l−îng chung. HiÖu suÊt vßi phun tÝnh tÊt c¶ c¸c tæn thÊt nµy khi thiÕt kÕ biªn d¹ng hîp lý theo thùc nghiÖm cã thÓ ®¹t 95 ÷ 98%. Trong thiÕt kÕ còng cÇn tÝnh to¸n ®Õn ®é më réng cña dßng tia khi quyÕt ®Þnh tû sè D1/d0 ®Ó tr¸nh dßng tia khi vµo BCT cã thÓ va ch¹m vµo bÇu hoÆc vµnh lµm gi¶m hiÖu suÊt cña tua bin. 3.2.5. Nghiªn cøu, thiÕt kÕ b¸nh xe c«ng t¸c. 3.2.5.1. LuËn cø vÒ tû sè 0 1 d D : Tû sè 0 1 d D lµ th«ng sè rÊt quan träng trong thiÕt kÕ tua bin dßng phun (tua bin g¸o, TBTN). C¸c th«ng sè qui dÉn vµ sè vßng quay ®Æc tr−ng cña tua bin ®Òu phô thuéc vµo c«ng thøc nµy, cô thÓ nh− sau: V×: 4 .*2* 2 0 max dgHQ πϕ= (3.54) Vµ: HDQQ ** 211= (3.55) Nªn : 2 1 0' 1 **4 2 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= D dgQ ϕπ nÕu lÊy ϕ = 0,97 th× : 2 1 0' 1 *41,3 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= D dQ (3.56) NÕu tæ m¸y cã sè vßi phun lµ z th× : 2 1 0' 1 **41,3 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= D dzQ Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 30 Sè vßng quay ®Æc tr−ng ns x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: ' 1 ' 1 .**13,3 Qnns η= (3.57) NÕu lÊy η= 0,83 ; n1’= 41 t¹i trÞ sè Q’1max th× sè vßng quay ®Æc tr−ng cña tua bin x¸c ®Þnh theo c«ng thøc : z D dns **216 1 0 max = (3.58) Tû sè 0 1 d D cña TBTN theo thùc nghiÖm x¸c ®Þnh ®−îc cã gi¸ trÞ tõ 3,5 ÷ 7. Ngoµi vïng trªn, hiÖu suÊt cña tua bin gi¶m. B¶ng 4 so s¸nh c¸c gi¸ trÞ qui dÉn vµ sè vßng quay ®Æc tr−ng cña TBTN vµ tua bin g¸o. B¶ng 4 Th«ng sè Läai TB 0 1 d D ns Q ’ 1(l/s) TBTN 3,5 ÷ 7 62 ÷ 31 278 ÷ 70 Tua bin g¸o 8 ÷ 18 27 ÷ 12 53 ÷ 10,5 Trong chuyªn ®Ò vÒ gam thñy ®iÖn nhá, víi c¸c läai thñy ®iÖn nhá cã thÓ chän 0 1 d D = 4. 3.5.2.2. Gãc gi÷a tia vµ b¸nh c«ng t¸c.: KÕt qu¶ nghiªn cøu lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm [1] cho thÊy, gãc vµo phï hîp α = 22,50 ÷ 250, gãc ra β2 = 1650 ÷ 1680. Víi T§CN cã thÓ chän theo h−íng thuËn lîi cho c«ng nghÖ, chän α = 250 β2 = 1650 Gãc gi÷a vËn tèc t−¬ng ®èi, trïng víi gãc ®Æt c¸nh t¹i mÐp vµo β, theo tÝnh to¸n tèi −u lµ 2 1 1 βα = C¸c gãc ë c¸c b¸n kÝnh kh¸c nhau ®−îc ®Þnh theo c«ng thøc: Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 31 0 1 2 1 1 cos2 2sin R R arctg i i − = α αβ (3.59) Trong ®ã: β1i lµ gãc t¹i cöa vµo cña c¸nh g¸o ë vÞ trÝ cã b¸n kÝnh lµ Ri R0 lµ b¸n kÝnh danh nghÜa cña b¸nh xe c«ng t¸c (R0 = D1/2). 3.5.2.3. KÝch th−íc c¬ b¶n cña BCT, biªn d¹ng l¸ c¸nh BCT. Ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ c¸nh: Do tµi liÖu nghiªn cøu vÇ BCT tua bin tia nghiªng rÊt thiÕu, h¬n n÷a phÇn lín biªn d¹ng c¸nh TBTN ®−îc x¸c ®Þnh nhê thùc nghiÖm, nªn ®Ò tµi chän ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ c¸nh b»ng ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch lý thuyÕt, lùa chän, thiÕt kÕ theo mÉu, thö nghiÖm trªn m« h×nh ®Ó rót ra c¸c chi tiÕt cÇn thiÕt. a. Lùc chän mÉu. MÉu ®−îc lùa chän ®¶m b¶o cã chÊt l−îng cao, trog ®Ò tµi chän mÉu cña 3 h·ng: H·ng Gilkes (Anh), h·ng TANAKA (NhËt B¶n), h·ng TRIED (Trung Quèc). Ba mÉu trªn ®Òu cã ph¹m vi 0 1 d D = 4 ÷ 5,5, lµ vïng thÝch hîp cho TBTN cã cét n−íc trong ph¹m vi H ≤ 300m C¸c kÝch th−íc c¬ b¶n cña mÆt c¾t ngang BCT nh− h×nh 19. H×nh 19. C¸c th«ng sè h×nh häc c¬ b¶n cña BCT TBTN - §−êng kÝnh bÇu ë lèi vµo: dbV= 0,734D1 - §−êng kÝnh bÇu ë lèi ra: dbR= 0,507D1 Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 32 - ChiÒu cao cña bÇu: H = 0,330D1 - §−êng kÝnh vµnh ë lèi vµo: Dv=1,440D1 - §−êng kÝnh lèi ra lín nhÊt: D3=1,750D1 - §−êng kÝnh lèi ra nhá nhÊt: D2=0,283D1 - ChiÒu réng cña c¸nh: B1=0,373D1 - ChiÒu réng c¸nh ë lèi ra nhá nhÊt: B2=0,303D1 - ChiÒu réng c¸nh ë lèi ra lín nhÊt: B3=0,174D1 - §−êng kÝnh ngoµi cña vµnh: DN=1,824D1 - ChiÒu cao cña vµnh: h=0,113D1 b. KiÓm tra c¸c kÝch th−íc h×nh häc cña c¸nh: X©y dùng mÆt c¾t vµ mÆt b»ng giao cña dßng tia vµ BCT cho thÊy: ë c¸c chÕ ®é 0 1 d D = 4 ÷ 5,5, kÓ tíi ®é në cña dßng tia t¹i mÆt c¾t T ≤ 5d0 , cho kÕt qu¶ nh− sau: H×nh 20. VÞ trÝ t¸c ®éng cña dßng tia trªn mÆt BCT Kho¶ng c¸ch gi÷a dßng tia vµ vµnh, bÇu c¸nh ë chÕ ®é, ®é më lín nhÊt, víi ph−¬ng ¸n èng dÉn khuûu cong lo¹i b. - §−êng kÝnh dßng tia d0: 55mm - §é më dßng tia: d0 x 19,5%: 67mm - Kho¶ng c¸ch gÇn nhÊt: tíi bµu vµ vµnh ∆δ KÕt qu¶ ∆δ >5mm: §¹t yªu cÇu ®Æt ra Biªn d¹ng c¸nh BCT: + Biªn d¹ng c¸nh ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau: Sö dông ph−¬ng ph¸p lÊy mÉu b»ng m¸y quÐt Criber: LÊy mçi c¸nh kho¶ng 10 mÉu. - Sö dông phÇn mÒm SPSS ®Ó xö lý sè liÖu. δ Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 33 H×nh 21. VÞ trÝ cña vßi phun so víi BCT - X©y dùng biªn d¹ng c¸nh sau khi xö lý sè liÖu. KÕt qu¶ ®o nh− trong phô lôc 1. 3.2.6. Vá tua bin. Vá tua bin ngoµi viÖc b¶o ®¶m cho n−íc kh«ng bÞ b¾n ra sµn cßn cÇn ph¶i ®¶m b¶o dßng n−íc ra khái b¸nh xe c«ng t¸c kh«ng b¾n ng−îc trë l¹i ¶nh h−ëng ®Õn sù lµm viÖc cña tua bin. HiÖn nay, vá tua bin ®−îc coi lµ −u viÖt nhÊt cã kÕt cÊu nh− h×nh 23. Côm æ trôc tua bin ®−îc bè trÝ phÝa tr−íc vá, c¸c vßi phun bè trÝ hai bªn. Trªn ®Ønh vá cã n¾p dèc vÒ phÝa sau ®¶m b¶o cho tho¸t hÕt phÇn n−íc b¾n lªn trªn vµ cã thÓ tho¸t nhanh kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn sù lµm viÖc b×nh th−êng cña BCT. Qu¸ tr×nh th¸o l¾p, b¶o d−ìng còng rÊt thuËn tiÖn vµ ®¬n gi¶n. 3.2.7. Bè trÝ c¸c bé phËn c¬ b¶n cña TBTN. C¸c TBTN hiÖn nay th−êng chØ gåm hai lo¹i 1 hoÆc 2 vßi phun cã kÕt cÊu nh− h×nh 23 vµ h×nh 24. C¸c vßi phun ®−îc bè trÝ ng−îc nhau vµ ®èi xøng qua BCT. Gãc gi÷a trôc vßi phun vµ mÆt ph¼ng b¸nh xe c«ng t¸c chän trong kho¶ng 22,5 ÷ 250. Kho¶ng c¸ch gi÷a vßi phun vµ mÆt ph¼ng nhËn n−íc cña BCT lµ G (h×nh 16), thùc nghiÖm cho thÊy r»ng tæn thÊt n¨ng l−îng cña dßng tia lµ nhá nhÊt khi G ≤ 5 d0. MÆt dßng tia trô trßn c¾t mÆt ph¼ng cöa nhËn n−íc cña BCT cã d¹ng h×nh « van (gäi lµ h×nh « van dßng tia). Thùc nghiÖm cho thÊy vÞ trÝ « van dßng tia cã h−íng ng−îc víi chiÒu chuyÓn ®éng (h×nh 22). NÕu sù dÞch chuyÓn (T) nµy kh«ng g©y cho dßng tia vÊp ph¶i vµnh bao ngoµi cã thÓ n©ng cao sè vßng quay ®Æc tr−ng cña tua bin. §ång thêi H×nh 22. Giao diÖn (« van) gi÷a dßng tia vµ BCT Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 34 gi¶m bít sù va ®Ëp vµo vµnh bao ngoµi cña tua bin hoÆc cã thÓ gi¶m bít sè c¸nh. Kho¶ng dÞch chuyÓn T ®−îc x¸c ®Þnh nhê thùc nghiÖm. 3.3. Chän kÕt cÊu tæ m¸y, sè vßi phun. Cã 3 lo¹i kÕt cÊu TBTN: + KÕt cÊu trôc ®øng 1 mòi phun, 2 mòi phun + KÕt cÊu trôc ngang 1 mòi phun, 2 mòi phun + KÕt cÊu trôc ®øng nhiÒu mòi phun nh− c¸c h×nh 21, h×nh 22 vµ h×nh7: H×nh 23. KÕt cÊu TBTN trôc ®øng 1 hoÆc 2 vßi phun H×nh 24. KÕt cÊu TBTN trôc ngang Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 35 ¦u nh−îc ®iÓm cña c¸c kÕt cÊu nh− ë b¶ng 5: B¶ng 5 TT Lo¹i kÕt cÊu ¦u ®iÓm Nh−îc ®iÓm 1 Lo¹i trôc ngang 1 mòi phun - KÕt cÊu ®¬n gi¶n, æ trôc ë 2 phÝa BCT nªn chÞu lùc tèt; - DÔ l¾p víi c¸c m¸y ph¸t trôc ngang kh¸c. - Ph¹m vi lµm viÖc hÑp. 2 Lo¹i trôc ngang 2 mòi phun - KÕt cÊu ®¬n gi¶n, dÔ l¾p víi c¸c m¸y ph¸t trôc ngang kh¸c; - Ph¹m vi lµm viÖc réng b»ng 2 lÇn lo¹i 1 mòi phun; - DÔ chÕ t¹o, l¾p ®Æt, söa ch÷a. - CÇn chó ý æ trôc ®Ó n©ng cao ®é bÒn. 3 Lo¹i trôc ®øng 1,2 vµ nhiÒu mòi phun - KÕt cÊu gän gµng, dÔ l¾p ®Æt, qu¶n lý, vËn hµnh. - Lo¹i nhiÒu mòi phun cã khung lµm viÖc réng. - M¸y ph¸t ph¶i ®ång bé víi tuabin; - æ trôc tuabin yªu cÇu kh¶ n¨ng chÞu lùc däc trôc cao; - Lµm kÝn mì tèt; - Phï hîp víi c¸c h·ng s¶n xuÊt thiÕt bÞ ®ång bé Trong phÇn nghiªn cøu nµy chóng t«i lùa chän kÕt cÊu trôc ngang 2 mòi phun víi c¸c lý do sau: - Nh− ®· ph©n tÝch trong gam thñy ®iÖn nhá vµ cùc nhá. Yªu cÇu vÒ vïng lµm viÖc cña TBTN kh«ng qu¸ réng. - §iÒu kiÖn s¶n xuÊt sè l−îng kh«ng cao nªn phï hîp víi ®iÒu kiÖn s¶n xuÊt m¸y ph¸t ®iÖn trôc ngang. - Tæ m¸y dÔ chÕ t¹o, ®¬n gi¶n cho qu¸ tr×nh vËn hµnh. - Thùc tÕ h·ng Gilkes ®· s¶n xuÊt tíi 5.000 kW/tæ m¸y víi nhiÒu TTD cã cét n−íc kh¸c nhau ®Òu ®¶m b¶o yªu cÇu vÒ ®é bÒn vµ hiÖu suÊt cao. Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 36 3.4. Ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ TBTN. §Ó x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè, kÝch th−íc cña TBTN, cÇn cho tr−íc c¸c ®¹i l−îng: Cét ¸p lín nhÊt, cét ¸p tÝnh to¸n, cét ¸p nhá nhÊt: Hmax,Htt, Hmin vµ c«ng suÊt tua bin N. 3.4.1. Chän c¸c kÝch th−íc c¬ b¶n. a. Vßi phun: C¸c kÝch th−íc c¬ b¶n cña vßi phun ®−îc x¸c ®Þnh theo c¸c th«ng sè sau: cét ¸p tÝnh to¸n Htt, sè l−îng vßi phun Zv vµ c«ng suÊt tæ m¸y: L−u l−îng qua mét vßi phun x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: vttv ZH N Z QQ η81,91 == (3.60) trong ®ã: η - HiÖu suÊt TBTN s¬ bé chän η=0.8 §−êng kÝnh dßng tia øng víi l−u l−îng lín nhÊt x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: ttv gHZ dQ 2 4 2 0 1 ϕπ= (3.61) Tõ ®ã suy ra: ttv gHZ Qd 2 4 max 0 ϕ= (3.62) NÕu lÊy ϕ = 0,97 ta cã: HZ Qd v 0 0 545,0= (m) (3.63) Trong ®ã: Q0= Qmax l−u l−îng (m3/s) H = Htt cét ¸p (m) HiÖn nay, c¸c vßi phun ®· ®−îc nghiªn cøu t−¬ng ®èi kü l−ìng c¶ vÒ lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm cña tua bin g¸o. Cã 3 lo¹i vßi phun c¬ b¶n cã hiÖu suÊt kh¸ cao ®Ó tÝnh ®æi cho c¸c lo¹i tua bin kh¸c nhau ®ã lµ: lo¹i vßi phun ng¾n(850/600), lo¹i vßi phun trung b×nh(800/550), vµ lo¹i vßi phun dµi (620/450). Vßi phun ng¾n cã −u ®iÓm lµ lùc ma s¸t nhá, hµnh tr×nh S vµ kÝch th−íc tæ m¸y nhá, ®Æc biÖt víi tæ m¸y nhiÒu vßi phun cho kÝch th−íc kÕt cÊu cµng nhá. Nh−ng do hµnh tr×nh cña kim phun biÕn ®æi kh«ng lín, l−u l−îng biÕn ®æi nhiÒu, viÖc ®iÒu chØnh ®ßi hái ph¶i nh¹y. Còng v× vßi phun ng¾n, dßng ch¶y quÆt gÊp, cã thªm tæn thÊt do dßng rèi. Tuy nhiªn do cã ®é nÐn tèt nªn nã phï hîp víi cét n−íc Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 37 thÊp. §èi víi lo¹i vßi phun dµi th× kh¾c phôc ®−îc c¸c nh−îc ®iÓm cña vßi phun ng¾n nh−ng vÒ mÆt kÝch th−íc kÕt cÊu sÏ rÊt lín nÕu tæ m¸y cã Ýt vßi phun ®ång thêi lo¹i vßi phun nµy cã ®é nÐn kÐm h¬n nªn nã phï hîp víi cét n−íc cao. Läai vßi phun trung b×nh cã c¸c ®Æc ®iÓm kh¾c phôc c¸c nh−îc ®iÓm cña hai lo¹i ng¾n vµ dµi. Nã phï hîp víi cét n−íc trung b×nh. Tãm l¹i, vßi phun cã ®é c«n lín phï hîp víi cét ¸p thÊp, vßi phun trung b×nh cho cét ¸p trung b×nh vµ vßi phun cã ®é c«n nhá cho cét ¸p cao. §èi víi TBTN, do cét n−íc lµm viÖc kh«ng cao nªn viÖc sö dông lo¹i vßi phun ng¾n vµ trung b×nh lµ thÝch hîp. §èi víi c¸c tæ m¸y cã cét ¸p nhá h¬n 50 m nªn chän lo¹i vßi phun ng¾n. C¸c tæ m¸y cã cét ¸p cao h¬n nªn chän lo¹i vßi phun trung b×nh. b. Chän ®−êng kÝnh BCT vµ sè vßng quay. Thùc nghiÖm cho thÊy sè vßng quay qui dÉn cña TBTN n1’=39 ÷ 41 v/ph lµ vïng lµm viÖc cã hiÖu suÊt cao nhÊt. §−êng kÝnh BCT (D1) x¸c ®Þnh theo c«ng thøc : n HnD ' 1 1 = (m) (3.64) Sau khi tÝnh to¸n, trÞ sè D1 ®−îc lµm trßn vµ qui vÒ kÝch th−íc tiªu chuÈn. ViÖc lùa chän ®−êng kÝnh BCT phô thuéc vµo sè vßng quay n, sè vßng quay nµy th−êng ®−îc chän theo sè vßng quay ®ång bé cña m¸y ph¸t ®iÖn (nèi trùc tiÕp) hay mét sè vßng quay thÝch hîp cña bé truyÒn (nèi gi¸n tiÕp). Khi quyÕt ®Þnh chän tèc ®é vßng quay nµo ®ã cÇn quan t©m ®Õn c¸c kinh nghiÖm thiÕt kÕ ®· tr×nh bµy trong môc 3.2.1. Víi TBTN, tû sè D1/d0 n»m trong kho¶ng 3,4 ÷ 9,5. Khi ®· chän sè vßi phun cã nghÜa lµ ®· x¸c ®Þnh ®−îc ®−êng kÝnh d0 nªn khi tÝnh to¸n ®−êng kÝnh BCT cÇn ph¶i chó ý ®Õn tû sè D1/d0. c. C¸c th«ng sè kh¸c cña TBTN. *.L−u l−îng qui dÉn: L−u l−îng qui dÉn cña TBTN x¸c ®Þnh theo c«ng thøc chung cña c¸c m¸y thñy lùc : 2 1 0 2 1 ' 1 4 2 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛== D dZ g HD QQ vϕπ Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 38 hay: 2 1 0' 1 .. ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= D dZKQ vQ (3.65) Trong ®ã: 4 2g KQ πϕ= lµ h»ng sè. *. Sè vßng quay qui dÉn: H nDn 1'1 = (3.66) Trong ®ã: π ω30=n v¬i c¸c biÓu thøc: 2 1 1 Du ω= , gHC 21 ϕ= vµ 1 1 C u=ψ Thay vµo (3.66) ta cã: 1 1' . 260 1 C ugn π ϕ= hay: ψnKn ='1 (3.67) trong ®ã: gKn 2 60ϕπ= lµ h»ng sè. *, Sè vßng quay ®Æc tr−ng ns: Sè vßng quay ®Æc tr−ng x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: 4 HH Nnns = hay '1'165,3 Qnns η= (3.68) 3.4.2. X©y dùng ch−¬ng tr×nh tÝnh c¸c th«ng sè chÝnh cña TBTN. §Ó thuËn tiÖn vµ nhanh chãng cho qu¸ tr×nh tÝnh to¸n c¸c th«ng sè cña TBTN cho tr¹m thñy ®iÖn, cÇn lËp mét ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n trªn m¸y vi tÝnh. Ch−¬ng tr×nh ®−îc viÕt b»ng ng«n ng÷ Visual Basic (xem phÇn phô lôc). Ngoµi viÖc tÝnh to¸n c¸c th«ng sè vµ ®−a vµo tiªu chuÈn ®−êng kÝnh b¸nh xe c«ng t¸c vµ sè vßng quay (theo sè vßng quay ®ång bé cña m¸y ph¸t), ch−¬ng tr×nh cßn kiÓm tra sù hîp lý cña sè liÖu ®Çu vµo vµ gîi ý cho ng−êi dïng chän lo¹i tua bin kh¸c nÕu c¸c th«ng sè cña tr¹m thñy ®iÖn kh«ng phï hîp víi viÖc sö dông TBTN. Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 39 Ch−¬ng tr×nh cã thÓ dÞch thµnh file.exe ch¹y trong m«i tr−êng window. Tuy nhiªn ®Ó cã thÓ söa ch÷a hoÆc bæ sung c¸c th«ng sè tiªu chuÈn th× cã thÓ ®Ó ch¹y trùc tiÕp trong m«i tr−êng Visual Basic. Khi b¾t ®Çu ch¹y, cöa sæ nhËp sè liÖu ®Çu vµo më ra vµ cung cÊp cho ng−êi dïng mét sè th«ng tin cÇn thiÕt vÒ ch−¬ng tr×nh. Trªn thanh menu gåm cã c¸c th«ng tin vµ chøc n¨ng sau: - HÖ thèng: cung cÊp cho ng−êi dïng vÒ th«ng tin hÖ thèng ch−¬ng tr×nh. - Gi¸ trÞ mÆc ®Þnh: cho phÐp ng−êi dïng cã thÓ thay ®æi c¸c gi¸ trÞ mÆc ®Þnh cña ®−êng kÝnh BCT sÏ ®−îc tiªu chuÈn ho¸ vµ c¸c sè vßng quay mÆc ®Þnh kh¸c trong tr−êng hîp sè vßng quay ®ång bé cña m¸y ph¸t kh«ng phï hîp (dïng bé truyÒn ®Ó kÐo). Cöa sæ cËp nhËt gi¸ trÞ mÆc ®Þnh nh− sau: Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 40 §Ó cËp nhËt c¸c gi¸ trÞ mÆc ®Þnh, Ên vµo nót “Ghi d÷ liÖu” tr−íc khi Ên nót “Tho¸t” ®Ó ra khái cöa sæ nµy. - About: Cung cÊp th«ng tin chung vÒ ch−¬ng tr×nh NhËp d÷ liÖu ®Ó tÝnh to¸n: - NhËp cét n−íc tÝnh to¸n cña tr¹m - NhËp c«ng suÊt cña tr¹m - Chän sè tæ m¸y: nÕu kh«ng lùa chän g×, mÆc ®Þnh sè tæ m¸y lµ 1 - Chän sè vßng quay ®ång bé: nÕu kh«ng cã lùa chän g×, mÆc ®Þnh sè vßng quay c¸c tæ m¸y lµ 1000v/ph. Sau khi nhËp xong sè liÖu, nhÊn nót tiÕp tôc ®Ó ch¹y ch−¬ng tr×nh. NÕu c¸c th«ng cña tr¹m nhËp vµo kh«ng phï hîp víi viÖc sö dông TBTN hoÆc kh«ng vµo vïng lµm viÖc tèi −u, ch−¬ng tr×nh sÏ th«ng b¸o ®Ó ng−êi dïng biÕt ®Ó cã thÓ thay ®æi c¸c sè liÖu ®Çu vµo hoÆc chän lo¹i tua bin kh¸c. Ch−¬ng tr×nh ®−îc lËp cho viÖc tÝnh to¸n c¸c TBTN cã cét ¸p lµm viÖc tõ 10 ÷ 250 m, c«ng suÊt mét tæ m¸y ®Õn 500 kW, sè vßng quay ®Æc tr−ng 25 ÷ 75 v/ph v× vËy c¸c sè liÖu nhËp vµo ngoµi vïng nµy còng sÏ ®−îc coi lµ kh«ng hîp lý. C¸c th«ng b¸o sÏ hiÓn thÞ vµ néi dung cña nã nh− sau: D¹ng sè liÖu sai: kh«ng nhËp ®ñ hoÆc dïng ký tù kh¸c d¹ng sè: Cét ¸p cña tr¹m n»m ngoµi vïng lµm viÖc: Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 41 C«ng suÊt cña mét tæ m¸y v−ît qu¸ 500 kW : Sè vßng quay ®Æc tr−ng nhá h¬n 25 v/ph : Sè vßng quay ®Æc tr−ng lín h¬n 75 v/ph : Sè vßng quay qui dÉn nhá h¬n 39 v/ph (ngoµi vïng tèi −u) : Sè vßng quay qui dÉn lín h¬n 41 v/ph (ngoµi vïng tèi −u) : Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 42 C¸c cöa sæ gîi ý cã c¸c nót ‘yes’ vµ ‘no’ ®Ó ng−êi dïng cã thÓ lùa chän theo gîi ý hoÆc tho¸t khái ch−¬ng tr×nh. Khi c¸c th«ng sè ®Çu vµo phï hîp hoµn toµn víi viÖc sö dông TNTN sÏ kh«ng xuÊt hiÖn c¸c cöa sæ gîi ý, c¸c th«ng sè tÝnh to¸n ®−îc sÏ hiÓn thÞ trªn cöa sæ kÕt qu¶. D−íi ®©y lµ vÝ dô tÝnh to¸n c¸c th«ng sè cña mét tr¹m thñy ®iÖn cã cét ¸p 100 m, c«ng suÊt 120 kW, sö dông mét tæ m¸y víi sè vßng quay ®ång bé cña m¸y ph¸t 1000 v/ph. Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 43 Ch−¬ng IV. Nghiªn cøu thùc nghiÖm tBTN §èi víi c¸c m¸y thñy lùc nãi chung vµ tua bin n−íc nãi riªng cho ®Õn nay hÇu nh− ch−a cã lêi gi¶i chÝnh x¸c bµi to¸n ®éng lùc häc b»ng lý thuyÕt. Trªn thùc tÕ, ng−êi ta sö dông nhiÒu ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu thùc nghiÖm kh¸c nhau vµ ph−¬ng ph¸p m« h×nh ho¸ lµ phæ biÕn. ViÖc nghiªn cøu ®Æc tÝnh cña c¸c tua bin nguyªn mÉu ®−îc thay thÕ b»ng viÖc nghiªn cøu ®Æc tÝnh t−¬ng tù trªn m« h×nh. Dùa vµo c¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm trªn m« h×nh ®Ó kÕt luËn ®Æc tÝnh cña tua bin nguyªn mÉu. §Ó ®¹t ®−îc ®iÒu ®ã, khi tiÕn hµnh thÝ nghiÖm cÇn ph¶i tu©n theo nh÷ng qui luËt nhÊt ®Þnh cña viÖc m« h×nh ho¸, ®ã lµ c¸c tiªu chuÈn t−¬ng tù. 4.1. H−íng nghiªn cøu TBTN. C¸c nghiªn cøu tr−íc ®©y vÒ TBTN cßn rÊt h¹n chÕ, do vËy vÊn ®Ò ®Æt ra lµ cÇn ph¶i cã mét sù tæng quan trong trong b−íc ®Çu nghiªn cøu tua bin nµy. Trong TBTN, hiÖu suÊt chñ yÕu phô thuéc vµo 3 yÕu tè ®ã lµ: Vßi phun, BCT vµ t−¬ng quan gi÷a vßi phun víi BCT. V× vËy, ®ã chÝnh lµ c¸c ®èi t−îng quan träng trong nghiªn cøu thùc nghiÖm. 4.1.1. Vßi phun. VÒ c¬ b¶n, vßi phun ®· ®−îc nghiªn cøu kh¸ kü l−ìng trong tua bin g¸o. Tuy nhiªn, víi TBTN, ph¹m vi lµm viÖc cã sè vßng quay ®Æc tr−ng cao h¬n (ns = 30 ÷ 70 v/ph) vßi phun cÇn ph¶i thùc nghiÖm l¹i ®Ó kiÓm nghiÖm c¸c th«ng sè: ®−êng kÝnh dßng tia, hiÖu suÊt vßi phun... . Tõ ®ã rót ra ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n, lùa chän vßi phun phï hîp. 4.1.2. B¸nh xe c«ng t¸c. B¸nh xe c«ng t¸c TBTN trªn thùc tÕ ch−a cã lý thuyÕt tÝnh to¸n chÆt chÏ. Do vËy viÖc nghiªn cøu sÏ gÆp nhiÒu khã kh¨n. VÊn ®Ò ®Æt ra lµ cÇn dùa vµo c¸c tua bin thùc cã hiÖu suÊt cao ®Ó thiÕt kÕ b¸nh c«ng t¸c tua bin m« h×nh, trªn c¬ së ®ã, b»ng thùc nghiÖm t×m ra c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn hiÖu suÊt cña b¸nh c«ng t¸c. H−íng nghiªn cøu tËp trung vµo c¸c yÕu tè: Gãc vµo, gãc ra, chiÒu réng l¸ c¸nh, tû sè l/t vµ biªn d¹ng c¸c tiÕt diÖn cña l¸ c¸nh. 4.1.3. T−¬ng quan gi÷a vßi phun vµ b¸nh c«ng t¸c. H−íng nghiªn cøu tËp trung vµo c¸c yÕu tè: - VÞ trÝ dßng tia t¸c ®éng lªn b¸nh xe c«ng t¸c (®−êng kÝnh D1). Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 44 - Kho¶ng c¸ch gi÷a vßi phun vµ b¸nh xe c«ng t¸c. - Gãc gi÷a trôc vßi phun vµ mÆt ph¼ng b¸nh xe c«ng t¸c. 4.2. ThiÕt kÕ TBTN m« h×nh. 4.2.1. Lùa chän kÕt cÊu. §Ó thuËn tiªn cho qu¸ tr×nh thùc nghiÖm bao gåm: Bè trÝ c¸c thiÕt bÞ g©y t¶i, thiÕt bÞ ®o vµ trùc quan chän kÕt cÊu tua bin m« h×nh kiÓu trôc ngang, hai vßi phun theo s¬ ®å h×nh 20. §©y còng lµ kÕt cÊu phæ biÕn cho c¸c tr¹m cã c«ng suÊt tõ 10 ÷ 10000 KW. 4.2.2. Lùa chän kÝch th−íc, th«ng sè c¬ së TBTN m« h×nh. §Ó phï hîp víi qui m« phßng thÝ nghiÖm vµ theo c¸c tiªu chuÈn qui ®Þnh vÒ nghiªn cøu thùc nghiÖm tua bin, chän c¸c th«ng sè lµm viÖc cña tua bin m« h×nh nh− sau: - Cét ¸p lµm viÖc: Htt=10m. - C«ng suÊt tua bin: ®Ó phï hîp víi thiÕt bÞ g©y t¶i vµ c¸c thiÕt bÞ ®o vµ vïng lµm viÖc cña tua bin, chän N = 5kW. - Tèc ®é vßng quay: chän n = 500v/ph (theo sè vßng quay cña ®éng c¬ g©y t¶i). 4.2.3. TÝnh to¸n c¸c th«ng sè c¬ b¶n cña TBTN m« h×nh. Dïng ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n TBTN ®· x©y dùng trong ch−¬ng III ®Ó tÝnh to¸n c¸c th«ng sè c¬ b¶n cña TBTN m« h×nh. NhËp c¸c sè liÖu ®Çu vµo: Cét ¸p: H = 10m C«ng suÊt: N = 5kW Sè vßng quay: n = 500v/ph Sè tæ m¸y: Z = 1 Ch¹y ch−¬ng tr×nh, ta ®−îc c¸c th«ng sè c¬ b¶n cña TBTN m« h×nh nh− sau: Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 45 Nh− vËy, ta cã ®−êng kÝnh BCT tua bin m« h×nh (D1= 250mm) phï hîp víi tiªu chuÈn qui ®Þnh vÒ thùc nghiÖm tua bin. 4.2.4. ThiÕt kÕ b¸nh xe c«ng t¸c. Môc 4.2.3 ®· x¸c ®Þnh ®−îc ®−êng kÝnh BCT tua bin m« h×nh D1=250mm. C¸c kÝch th−íc cßn l¹i cña BCT ®−îc tÝnh to¸n theo D1 nh− ®· tr×nh bµy ë môc 3.1.5. H×nh 25 thÓ hiÖn c¸c kÝch th−íc c¬ b¶n ®· tÝnh to¸n ®−îc cña tua bin m« h×nh. H×nh 25. C¸c kÝch th−íc c¬ b¶n cña BCT tua bin m« h×nh Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 46 §Ó x¸c ®Þnh c¸c gãc vµo ë mÐp vµo cña c¸nh g¸o, sö dông c«ng thøc (3.59). C¸c gãc β1i ®−îc x¸c ®Þnh t¹i mÆt c¾t trô cã b¸n kÝnh Ri vµ trÞ sè cña nã ®−îc ghi trong b¶ng 6. B¶ng 6 MÆt c¾t Ri βi MÆt c¾t Ri βi 0 80 37.34866 11 135 53.67687 1 85 38.48008 12 140 55.66982 2 90 39.67056 13 145 57.76202 3 95 40.92373 14 150 59.95506 4 100 42.24339 15 155 62.24953 5 105 43.63344 16 160 64.64476 6 110 45.09792 17 165 67.13864 7 115 46.64088 18 170 69.72737 8 120 48.26638 19 175 72.40532 9 125 49.97841 20 180 75.16493 10 130 51.78074 Sè c¸nh g¸o cña tua bin m« h×nh: chän zc = 22. 4.2.5. Lùa chän vßi phun. Trong môc 4.1.3, ®· x¸c ®Þnh ®−îc ®−êng kÝnh dßng tia do= 56mm. Víi cét n−íc thÝ nghiÖm thÊp, theo ph©n tÝch ë môc 3.1.2 th× nªn chän lo¹i vßi phun ng¾n (850/ 600). Tuy nhiªn víi lo¹i vßi phun nµy, viÖc ®iÒu chØnh l−u l−îng trong qu¸ tr×nh thÝ nghiÖm gÆp nhiÒu khã kh¨n (hµnh tr×nh cña van kim nhá). V× vËy víi tua bin m« h×nh, ta chän lo¹i vßi phun trung b×nh (800/ 540). Dùa vµo c«ng thøc thùc nghiÖm: dv = (1,15 ÷ 1,25)d0 Chän dv = 1,2d0 ta x¸c ®Þnh ®−îc biªn d¹ng cña vßi phun tua bin m« h×nh nh− h×nh 26. Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 47 H×nh 26. Biªn d¹ng vßi phun TBTN m« h×nh + TÝnh to¸n hµnh tr×nh cña kim phun: Hµnh tr×nh kim phun S cÇn ph¶i ®¶m b¶o ®−êng kÝnh dßng phun d0 vµ cÇn ®¶m b¶o sè d− lµ 5%. ¸p dông c«ng thøc thùc nghiÖm S =1,1d0, ta chän hµnh tr×nh cña kim phun tua bin m« h×nh lµ S = 60mm. + Bè trÝ c¸c vßi phun: C¸c vßi phun cña tua bin m« h×nh bè trÝ ng−îc nhau vµ ®èi xøng qua b¸nh xe c«ng t¸c. Chän gãc α1 = 250 lµ gãc gi÷a dßng tia vµ mÆt ph¼ng b¸nh xe c«ng t¸c. Kho¶ng c¸ch gi−a vßi phun vµ mÆt ph¼ng cöa nhËn n−íc G, tæn thÊt n¨ng l−îng cña dßng tia lµ nhá nhÊt khi G ≤ 5 d0 víi tua bin m« h×nh ta chän G= 4d0. 4.3. M« h×nh ho¸ tua bin. Nghiªn cøu m« h×nh lµ giai ®o¹n kh«ng thÓ thiÕu ®−îc khi nghiªn cøu thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o míi mét chñng lo¹i thiÕt bÞ cña m¸y thuû khÝ nãi chung vµ tua bin nãi riªng. VÊn ®Ò lµ m« h×nh nh− thÕ nµo ®ã ®Ó b¶o ®¶m c¸c hiÖn t−îng vËt lý trong m« h×nh vµ nguyªn h×nh lµ hoµn toµn t−¬ng tù. Trªn c¬ së lý thuyÕt m« h×nh ho¸, lý thuyÕt t−¬ng tù chuçi kÝch th−íc vµ c¸c quy luËt ®ång d¹ng, chóng ta xÐt ph−¬ng tr×nh ®éng lùc häc cña chÊt láng nhít kh«ng nÐn ®−îc d−íi d¹ng kh«ng thø nguyªn nh− sau: )'( Re 1 2 2 2 2 2 2 z U y U x U x PEu z UW y UV x UU t USh ∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂−=∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂ Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 48 )( Re 1 2 2 2 2 2 2 z V y V x V y PEu z VW y VV x VU t VSh ∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂−=∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂ )( Re 1 2 2 2 2 2 2 z W y W x W z PEu z WW y WV x WU t WSh ∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂−=∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂ vµ ph−¬ng tr×nh liªn tôc 0=∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂ z W y V x U trong ®ã c¸c ®¹i l−îng kh«ng thø nguyªn Sè Shtrouhal 00tV lSh = ®Æc tr−ng cho qu¸ tr×nh kh«ng dõng Sè Froud gl VFr 0= ®Æc tr−ng cho lùc träng tr−êng Sè Reynolds 0 0Re ν lV= ®Æc tr−ng cho lùc nhít Sè Euler 2 00 0 V P Eu ρ= ®Æc tr−ng cho ¸p lùc Trong ®ã: l - chiÒu dµi t - thêi gian V - vËn tèc ρ – Tû träng chÊt láng υ - §é nhít ®éng häc chÊt láng g – Gia tèc träng tr−êng §iÒu kiÖn ®ång d¹ng cña m« h×nh vµ nguyªn h×nh khi chóng ®¶m b¶o c¸c ®iÒu kiÖn ®ång d¹ng sau: - §ång d¹ng h×nh häc - §ång d¹ng ®éng häc - §ång d¹ng ®éng lùc häc Khi tua bin m« h×nh vµ tua bin nguyªn h×nh ®¸p øng ®−îc ba ®iÒu kiÖn ®ång d¹ng trªn th× chóng ®−îc gäi lµ ®ång d¹ng thuû ®éng lùc häc. Víi môc tiªu nghiªn cøu TBTN phôc vô cho thñy ®iÖn nhá vµ cùc nhá. Do ®ã, kÝch th−íc, c«ng suÊt cña c¸c tua bin nguyªn h×nh lµ rÊt ®a d¹ng, n»m trong 2 gam c¬ b¶n lµ: thñy ®iÖn cùc nhá (0,2÷5kW) vµ thñy ®iÖn nhá (5 ÷500kW) víi cét Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 49 ¸p tõ 10 ÷ 250m. Nh− vËy viÖc m« h×nh ho¸ ®Ó nghiªn cøu TBTN cho ph¹m vi c«ng suÊt vµ cét ¸p réng nh− thÕ rÊt khã cã thÓ ®¹t ®−îc ®Çy ®ñ c¸c tiªu chuÈn t−¬ng tù. ë ®©y, cÇn ph¶i chÊp nhËn mét phÇn sai sè trong viÖc x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh cho mét lo¹i tua bin nguyªn h×nh cô thÓ. §iÒu kiÖn t−¬ng tù x¸c ®Þnh theo t−¬ng tù h×nh häc vµ chuÈn sè R©yn«n. Trong ph¹m vi c¸c tæ m¸y thñy ®iÖn nhá vµ cùc nhá, ®−êng kÝnh BCT giíi h¹n trong kho¶ng (D1= 100 ÷ 750mm), sè vßng quay trong kho¶ng (n = 500 ÷ 1500v/ph). Víi c¸c th«ng sè tua bin m« h×nh ®· tÝnh to¸n ®−îc (D1= 250mm, n = 500v/ph), ta cã: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ↔= 3 3 1 1 1 M N D D ; ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ↔= 3 3 1 M N n n Do vËy, cã thÓ cho phÐp ®¸nh gi¸ ®Æc tÝnh c¸c tua bin nguyªn h×nh víi ®é chÝnh x¸c chÊp nhËn ®−îc. 4.4. Thùc nghiÖm tua bin m« h×nh. 4.4.1. HÖ thèng thÝ nghiÖm. HÖ thèng thÝ nghiÖm xuÊt ph¸t tõ c¸c th«ng sè yªu cÇu thö nghiÖm cña tua bin m« h×nh: - Cét n−íc thiÕt kÕ cña tua bin: H = 10 m - L−u l−îng qua tua bin: Q = 64 l/s - C«ng suÊt thiÕt kÕ: N = 5 kW - Tua bin tia nghiªng m« h×nh cã c¸c th«ng sè c¬ b¶n: + §−êng kÝnh b¸nh xe c«ng t¸c: D1= 250mm + Sè vßi phun: z0= 2 + §−êng kÝnh dßng tia: d0= 55mm + Sè vßng quay: n = 500v/ph HÖ thèng thÝ nghiÖm ®−îc thiÕt kÕ vµ x©y dùng cã kÕt cÊu nh− h×nh 28. 1- BÓ tr÷ n−íc ngÇm: dung tÝch 250 m3. 2- B¬m cÊp: LT470 - 18 (l−u l−îng 130 l/s; cét ¸p 18m) Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 50 3 - BÓ t¹o ¸p lùc: dung tÝch 10m3, t¹o ®−îc cét n−íc h×nh häc víi sµn thö 11m, cã ®−êng èng x¶ thõa vµ l−íi æn ®Þnh dßng. §−êng èng φ250 dÉn n−íc tõ bÓ ¸p lùc cÊp cho tua bin vµ van ®iÒu chØnh l−u l−îng trong khi thö. H×nh 27. S¬ ®å bè trÝ hÖ thèng thÝ nghiÖm 4, 5, 6, 7- Côm tua bin m« h×nh vµ c¸c thiÕt bÞ ®o trªn sµn thÝ nghiÖm (h×nh 28): Trong ®ã: 4- Tua bin m« h×nh tia nghiªng 5- ThiÕt bÞ g©y t¶i: Bé truyÒn ®ai vµ m¸y ph¸t ®iÖn mét chiÒu cã c«ng suÊt 20kW, ®iÒu chØnh v« cÊp c«ng suÊt b»ng dßng kÝch tõ. 6- ThiÕt bÞ ®o ¸p suÊt d−: do h·ng HBM (CH LB §øc) chÕ t¹o. ThiÕt bÞ nµy cã bé c¶m biÕn kiÓu mµng máng trªn cã d¸n c¸c tenx¬. Nguyªn t¾c lµm viÖc dùa trªn sù thay ®æi ®iÖn trë cña c¸c ®iÖn trë ®−îc d¸n trªn mµng máng. Sù thay ®æi ®iÖn trë vµ biÕn d¹ng ®−îc x¸c ®Þnh theo quan hÖ: 2 1 3 4, 5, 6, 7 9 10 8 Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 51 l lk R R ∆=∆ τ ¸p kÕ nµy cã thÓ ®o ¸p suÊt tõ 0 ÷ 2 bar víi ®é chÝnh x¸c ±0,1%. Gi¸ trÞ ®o cã thÓ ®äc trùc tiÕp trªn mµn h×nh hiÖn sè cña thiÕt bÞ vµ cã thÓ truyÒn vÒ m¸y tÝnh ( tÝn hiÖu analog 4-20mA). ThiÕt bÞ cã ký hiÖu PE-200. H×nh 28. Côm c¸c thiÕt bÞ vµ tua bin m« h×nh thùc nghiÖm 7- ThiÕt bÞ ®o m« men vµ sè vßng quay: ®−îc bè trÝ trªn cïng thiÕt bÞ do h·ng HBM (CHLB §øc) chÕ t¹o. §o m« men: dùa trªn nguyªn lý ®o ®é biÕn d¹ng cña mét ®o¹n trôc mÉu nhê c¸c c¶m biÕn kiÓu tenx¬ d¸n trªn ®ã. ThiÕt bÞ cã ®é chÝnh x¸c ±0,1%, cã thÓ ®o ®−îc m« men tõ 0~200Nm. Gi¸ trÞ ®o cã thÓ ®äc trùc tiÕp trªn mµn h×nh hiÖn sè cña thiÕt bÞ vµ cã thÓ truyÒn vÒ m¸y tÝnh (tÝn hiÖu analog 4-20mA). §o vßng quay: lµm viÖc trªn nguyªn lý ®Õm xung tõ tr−êng nhê c¸c c¶m biÕn g¾n trªn trôc quay. §é chÝnh x¸c ±0,1%, cã thÓ ®o sè vßng quay tõ 0~10000v/ph. Gi¸ trÞ ®o cã thÓ ®äc trùc tiÕp trªn mµn h×nh hiÖn sè cña thiÕt bÞ vµ cã thÓ truyÒn vÒ 4 7 6 5 Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 52 §o Q §o H §o M §o n Bé chuyÓn ®æi d÷ liÖu Trung t©m xö lý sè liÖu XuÊt d÷ liÖu m¸y tÝnh (tÝn hiÖu digital). ThiÕt bÞ cã ký hiÖu lµ T32FN. 8- ThiÕt bÞ ®o l−u l−îng: do h·ng Siemens (CH LB §øc) chÕ t¹o. ThiÕt bÞ ®o dùa trªn qui luËt c¶m øng ®iÖn tõ cña Pharaday. Khi cã d©y dÉn chuyÓn ®éng trong tõ tr−êng c¾t c¸c ®−êng søc, trong d©y dÉn c¶m øng mét søc ®iÖn ®éng tØ lÖ víi tèc ®é chuyÓn ®éng cña d©y dÉn. NÕu ta dïng mét chÊt láng dÉn ®iÖn ch¶y qua gi÷a 2 cùc cña mét nam ch©m vµ ®o suÊt ®iÖn ®éng sinh ra trong chÊt láng , th× cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc tèc ®é dßng ch¶y hay l−u l−îng thÓ tÝch. SuÊt ®iÖn ®éng nµy cã thÓ tÝnh theo c«ng thøc: E=B.W.D=4BQ/(πD) Trong ®ã: B: c−êng ®é tõ c¶m W: tèc ®é trung b×nh cña dßng ch¶y D: ®−êng kÝnh trong cña èng dÉn Q: L−u l−îng thÓ tÝch cña chÊt láng L−u l−îng kÕ nµy cho phÐp ®o l−u l−îng tíi 1000 m3/h víi sai sè 0,5%. Gi¸ trÞ ®o cã thÓ ®äc trùc tiÕp trªn mµn h×nh hiÖn sè cña thiÕt bÞ vµ cã thÓ truyÒn vÒ m¸y tÝnh (tÝn hiÖu analog 4-20mA). ThiÕt bÞ cã ký hiÖu lµ 7ME2531φ250. 9- Kªnh dÉn n−íc sau thÝ nghiÖm vÒ bÓ cÊp. 10- Trung t©m thu thËp vµ xö lý sè liÖu: ThiÕt bÞ chuyÓn ®æi d÷ liÖu: gåm 16 cæng, cã thÓ thu thËp ®ång thêi 16 th«ng sè ®o, ®−a vµo m¸y vi tÝnh ®Ó xö lý. ThiÕt bÞ cã ký hiÖu lµ DEWEBOOK. H×nh 29. S¬ ®å hÖ thèng thu thËp vµ xö lý sè liÖu Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 53 Trong khi thÝ nghiÖm, tÊt c¶ c¸c th«ng sè ®−îc hiÓn thÞ trªn ®ång hå hiÖn sè ®ång thêi ®−îc chuyÓn vÒ trung t©m thu thËp vµ xö lý sè liÖu, hiÓn thÞ trªn mµn h×nh m¸y tÝnh, ghi l¹i vµo file.xls mét c¸ch tøc thêi t¹i mçi thêi ®iÓm. S¬ ®å ®o cña hÖ thèng cã thÓ m« t¶ nh− h×nh 29. 4.4.2. ThÝ nghiÖm tua bin m« h×nh 1. Tãm t¾t qu¸ tr×nh thùc nghiÖm a. Ph−¬ng ph¸p thùc nghiÖm: Ph−¬ng ph¸p thùc nghiÖm dùa trªn nguyªn t¾c th«ng qua viÖc ®o ®¹c c¸c th«ng sè liªn quan ®Ó x¸c ®Þnh hiÖu suÊt cña tua bin. HiÖu suÊt cña tua bin x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: (4.1) Trong ®ã: NT : c«ng suÊt trªn trôc tua bin (kW), x¸c ®Þnh theo c«ng thøc : ω*MNT = (4.2) Trong ®ã : M : m«men trªn trôc (kNm) ω : VËn tèc gãc (rad/s) Q : l−u l−îng qua tua bin (m3/s) H : cét ¸p lµm viÖc cña tua bin (m) Cét ¸p cña tua bin x¸c ®Þnh t¹i cöa vµo tua bin x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: (4.3) hMP Av +=γ Trong ®ã : γ vP : cét ¸p tÜnh t¹i vÞ trÝ t©m trôc tua bin. MA : gi¸ trÞ ¸p suÊt trªn ¸p kÕ h : Trªnh lÖch cao ®é ®iÓm ®Æt ¸p kÕ víi t©m trôc tua bin. g Vv 2 2 : ®éng n¨ng t¹i cöa vµo tua bin, trong ®ã : Vv : Gi¸ trÞ vËn tèc t¹i cöa vµo x¸c ®Þnh theo c«ng thøc : v v F QV = (Fv : diÖn tÝch cöa vµo tua bin) HQ NT T **81,9 =η g VPHHH vvDT 2 2 +=+= γ Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 54 b. Qu¸ tr×nh ®o. TiÕn hµnh ®o t¹i c¸c c¸c vÞ trÝ hµnh tr×nh S cña kim phun theo 2 chiÒu tiÕn vµ lïi. Theo chiÒu tiÕn, mçi lÇn t¨ng S mét gi¸ trÞ 10mm, t¹i mçi gi¸ trÞ cña S, thay ®æi sè vßng quay cña tua bin (b»ng c¸ch thay ®æi c«ng suÊt trªn ®éng c¬ g©y t¶i), tÊt c¶ c¸c th«ng sè ®o ®−îc tù ®éng ghi vµo file kÕt qu¶ (t¹i mçi ®iÓm ®o, lÊy rÊt nhiÒu gi¸ trÞ), c¸c sè liÖu nµy t¹o thµnh mét bé d÷ liÖu gióp cho qu¸ tr×nh xö lý ®¹t ®−îc ®é chÝnh x¸c cao h¬n. Khi më hÕt hµnh tr×nh (Smax), thùc hiÖn qu¸ tr×nh ®o ng−îc l¹i t−¬ng tù nh− chiÒu tiÕn cho ®Õn khi ®ãng hoµn toµn (S=0). c. Qui tr×nh xö lý d÷ liÖu thÝ nghiÖm: *Sai sè dông cô ®o: Sai sè dông cô ®o ®¸nh gi¸ theo c«ng thøc : Kdc(%)= δM (%) * XM / x (4.4) Trong ®ã: Kdc: Sai sè ®o t−¬ng ®èi cña gi¸ trÞ ®o δM : CÊp chÝnh x¸c cña thiÕt bÞ ®o. XM : Gi¸ trÞ ®o giíi h¹n x : Gi¸ trÞ ®o thùc. * Sai sè bé d÷ liÖu ®o ®−îc : Sai sè bé d÷ liÖu ®o ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: Kdl(%)= (Ymax- Ymin)/ YTB (4.5) Trong ®ã: Kdl: Sai sè t−¬ng ®èi cña bé d÷ liÖu ®o Ymax: Gi¸ trÞ ®o ®−îc lín nhÊt cña bé d÷ liÖu Ymin: Gi¸ trÞ ®o ®−îc nhá nhÊt cña bé d÷ liÖu YTB: Gi¸ trÞ trung b×nh ®o ®−îc cña bé d÷ liÖu Mét phÐp ®o t¹i chÕ ®é b×nh æn sÏ cho Kdl(%)< Kdc(%) (nÕu kh«ng cã c¸c yÕu tè ngo¹i lai t¸c ®éng vµo). * §é ph©n t¸n chuÈn cña d÷ liÖu: §é ph©n t¸n chuÈn cña d÷ liÖu SD tÝnh theo c«ng thøc: (4.6) Trong ®ã : n – sè sè liÖu t¹i mét gi¸ trÞ cña vßng quay xi - ®é lín cña gi¸ trÞ thø i )1( )( 2 11 2 − − = ∑∑ == nn xxn SD n i n i Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 55 *§−êng m« t¶ (Fit line) : C¸c gi¸ trÞ ®o ®−îc, sau khi xö lý cã thÓ biÓu diÔn b»ng mét ®−êng cong hay th¼ng trªn trôc to¹ ®é (x,y) – Fit line – cã gi¸ trÞ sai sè nhá nhÊt tõ c¸c ®iÓm ®o ®−îc. C¸c ®−êng nµy l¹i cã thÓ m« t¶ b»ng c¸c hµm to¸n häc biÓu diÔn quan hÖ y=f(x). ë ®©y ta sö dông chñ yÕu 2 lo¹i hµm : Hµm bËc nhÊt : y= ax+b Dµnh cho y lµ c¸c ®¹i l−îng cét ¸p tÜnh, l−u l−îng, m« men vµ x lµ tèc ®é vßng quay n vµ tèc ®é qui dÉn n1 ’. Hµm bËc 2 : y= ax2+bx+c Dµnh cho c¸c ®−êng biÓu diÔn c«ng suÊt trªn trôc, hiÖu suÊt víi tèc ®é. ë ®©y, ta dïng ph−¬ng ph¸p " diÖn tÝch nhá nhÊt" ®Ó tÝnh qui håi tõ bé d÷ liÖu ra hµm biÓu diÔn c¸c gi¸ trÞ quan hÖ. Thanh sai sè : mçi ®iÓm ®o ®−îc ®¸nh gi¸ b»ng c¸c thanh sai sè cho c¸c ®¹i l−îng X, Y. Gi¸ trÞ cña c¸c thanh sai sè nµy cã thÓ ®−îc tÝnh b»ng Kdc. Xong do sè d÷ liÖu cña thÝ nghiÖm ®ñ nhiÒu nªn ta tÝnh ®é lín cña thanh sai sè = SD ( §é ph©n t¸n chuÈn). §−êng m« t¶ ph¶i ®i qua tÊt c¶ c¸c h×nh elÝp cã t©m lµ gi¸ trÞ ®o ®−îc vµ ®Ønh lµ ®Çu c¸c thanh sai sè. Sai sè chuÈn SE: Sai sè chuÈn dïng ®Ó ®o sai sè cña ®¹i l−îng y so víi x (gi÷a bé d÷ liÖu vµ ®−êng m« t¶) (4.7) Trong ®ã: n – sè d÷ liÖu cña c¶ bé d÷ liÖu xi- gi¸ trÞ cña biÕn i yi – gi¸ trÞ cña d÷ liÖu theo biÕn i R-squared : lµ ®¹i l−îng biÓu diÔn tÝnh "trïng khÝt" cña Fit line vµ bé d÷ liÖu. R-squared cã gi¸ trÞ tõ 0 ®Õn 1, R-squared cµng gÇn 1 cã nghÜa lµ ®−êng m« t¶ cµng ®óng víi bé d÷ liÖu ®· cã. R-squared ®−îc tÝnh theo c«ng thøc : ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ − −−⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −= ∑∑ ∑∑∑ ∑∑ == === == 2 1 2 1 2 2 1112 11 2 )( ))(( )( )2( 1 n i n i n i n i n i n i n i xxn yxxyn yyn nn SE Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 56 (4.8) c. Xö lý bé d÷ liÖu.: B−íc 1 : Xö lý s¬ bé Do qu¸ tr×nh thu thËp d÷ liÖu lµ liªn tôc, bao gåm c¶ thêi gian ®iÒu chØnh t¶i, nªn mét sè lín c¸c sè liÖu ®−îc ghi nhËn lµ kh«ng n»m trong chÕ ®é b×nh æn cña tua bin, vËy tr−íc khi ®−a c«ng cô vµo ®Ó xö lý, ®¸nh gi¸ ta cÇn cã b−íc xö lý s¬ bé ®Ó g¹t bá c¸c gi¸ trÞ ngo¹i lai hoÆc c¸c gi¸ trÞ kh«ng ®¸ng tin cËy. ViÖc xö lý nµy ®−îc lµm víi tõng ®iÓm lµm viÖc (n=const vµ cïng kho¶ng thêi gian ®o) C¸c sè liÖu sau cÇn ®−îc xö lý : 1. Cã ®é ph©n t¸n d÷ liÖu lín h¬n sai sè cña dông cô ®o 2. C¸c sè liÖu cã d−íi 5 records cho cïng 1 ®iÓm lµm viÖc (chÕ ®é lµm viÖc kh«ng æn ®Þnh). 3. C¸c d÷ liÖu cã d−íi 20 records cho cïng 1 ®iÓm lµm viÖc (D÷ liÖu nµy kh«ng ®ñ ®é tin cËy – c¸c d÷ liÖu nµy cã thÓ gi÷ l¹i trong bé d÷ liÖu chuÈn nh−ng chØ víi t− c¸ch ®Ó tham kh¶o). Sau khi xö lý s¬ bé (dïng c«ng cô Excel). Ta cã bé d÷ liÖu chuÈn cho mçi ®é më cña tua bin S. B−íc 2 : TÝnh to¸n Sö dông phÇn mÒm SPSS ®Ó xö lý bé d÷ liÖu chuÈn. LËp b¶ng thèng kª bé d÷ liÖu víi c¸c gi¸ trÞ Trung b×nh, Max, Min, SE, SD t¹i mçi ®iÓm.TÝnh håi qui vµ vÏ c¸c ®−êng quan hÖ Q, H, M, NTL=f(n), NT=f(n), η=f(n), Q1’=f(n1’) víi c¸c ®−êng biÓu diÔn gi¸ trÞ trung b×nh, ®−êng bao sai sè cña ®−êng trung b×nh vµ ®−êng bao sai sè cña toµn bé d÷ liÖu (lÊy víi ®é tin cËy 95%). 2. KÕt qu¶ thùc nghiÖm. ë mçi ®é më, sau khi xö lý sè liÖu ®o ®¹c ®−îc, b»ng phÇn mÒm SPSS ta x©y dùng ®−îc bé c¸c ®−êng quan hÖ ®Ó ®¸nh gi¸ chÊt l−îng vµ x©y dùng ®Æc tÝnh tæng hîp chÝnh cña tua bin m« h×nh. Sè l−îng sè liÖu trong c¸c file sè liÖu ®−îc ghi khi ®o vµ c¸c b¶ng thèng kª c¸c bé d÷ liÖu víi c¸c gi¸ trÞ Trung b×nh, Max, Min, SE, SD ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛−⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛− ⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛− = ∑∑∑∑ ∑∑∑ ==== === 2 11 2 2 11 2 111 )( n i n i n i n i n i n i n i yynxxn yxxyn R Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 57 t¹i mçi ®iÓm do phÇn mÒm SPSS tù ®éng lËp ra cã khèi l−îng rÊt lín kh«ng thÓ thèng kª hÕt ®−îc trong phÇn phô lôc. Do ®ã chØ thèng kª cã tÝnh chÊt vÝ dô vÒ d¹ng c¸c sè liÖu vµ b¶ng. H×nh 30; 31; 32; 33; 34; vµ35 lµ mét bé c¸c ®−êng cong: cét ¸p, l−u l−îng, m« men, c«ng suÊt thñy lùc, c«ng suÊt trªn trôc vµ hiÖu suÊt víi sè vßng quay t¹i mét ®é më thu ®−îc khi thùc nghiÖm (S = 45mm) do phÇn mÒm SPSS tù ®éng vÏ ra. Víi c¸c ®é më kh¸c, S =15mm, S = 25mm, S = 45mm, S = Smax xem trong phÇn phô lôc. (m) H×nh 30. BiÓu ®å cét ¸p lµm viÖc cña tua bin (m) víi sù thay ®æi sè vßng quay (n - v/ph) Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 58 (m3/h ) H×nh 31. BiÓu ®å l−u l−îng qua tua bin (m3/h) víi sù thay ®æi sè vßng quay (n - v/ph) (N.m) H×nh 32. BiÓu ®å m«men trªn trôc tua bin (Nm) víi sù thay ®æi sè vßng quay (n – v/ph) Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 59 (kW) H×nh 33. BiÓu ®å c«ng suÊt thñy (kW) víi sù thay ®æi sè vßng quay (n - v/ph) (kW) H×nh 34. BiÓu ®å c«ng suÊt trªn trôc tua bin (kW) víi sù thay ®æi sè vßng quay (n - v/ph) Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 60 H×nh 35. BiÓu ®å hiÖu suÊt tua bin víi sù thay ®æi sè vßng quay (n - v/ph) Tõ c¸c th«ng sè ®o ®−îc ta rót ra c¸c nhËn xÐt sau : 1. §−êng biÓu diÔn c«ng suÊt trªn trôc vµ ®−êng hiÖu suÊt lµ ®ång d¹ng, gi¸ trÞ ηmax øng víi gi¸ trÞ NTmax v× cét ¸p vµ l−u l−îng hÇu nh− kh«ng thay ®æi. 2. HiÖu suÊt vßi phun thùc nghiÖm x¸c ®Þnh theo c«ng thøc : (4.9) Trong ®ã : Q : l−u l−îng ®o ®−îc ë t¹i ®é më S FS : DiÖn tÝch mÆt c¾t ngang dßng tia t¹i ®é më S H : Cét ¸p lµm viÖc cña tua bin t¹i chÕ ®é thö. Thay c¸c kÕt qu¶ ®o vµo (4.9) ta ®−îc ϕTN = 0,91 Nh− vËy gi¸ trÞ hiÖu suÊt vßi phun thùc tÕ nhá h¬n gi¸ trÞ tÝnh to¸n (ϕT = 0,95- 0,97), ®©y lµ ®iÓm cÇn l−u ý trong viÖc tÝnh to¸n l¹i vßi phun cho hiÖu suÊt cao h¬n. 4.5. X©y dùng ®Æc tÝnh tæng hîp chÝnh cña tua bin m« h×nh. Khi tiÕn hµnh thÝ nghiÖm tua bin, ë mçi ®é më cña van kim S=const, ta x¸c ®Þnh ®−îc mét lo¹t c¸c th«ng sè Q, H, n, ë c¸c chÕ ®é kh¸c nhau. V× ®èi víi TBTN, l−u l−îng chØ phô thuéc vµo ®é më cña van kim mµ kh«ng phô thuéc vµo sè vßng quay nªn viÖc x©y dùng ®Æc tÝnh tæng hîp chÝnh ®¬n gi¶n h¬n nhiÒu so víi c¸c tua bin ph¶n kÝch. gHF Q S TN 2 =ϕ Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 61 C¸c gi¸ trÞ qui dÉn x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: H nDn 1'1 = (4.10) HD QQ 2 1 ' 1 = (4.11) Do Q = const, H = const øng víi S = const nªn ta x¸c ®Þnh ®−îc ngay c¸c ®−êng S = const lµ c¸c ®−êng song song víi trôc n1’, gi¸ trÞ Q1’ x¸c ®Þnh x¸c ®Þnh theo c«ng thøc (4.11). §Ó x©y dùng c¸c ®−êng ®ång hiÖu suÊt, tõ c¸c ®−êng quan hÖ η=f(n)Si thu ®−îc [môc (4.4)], ta x¸c ®Þnh ®−îc c¸c tËp hîp ®iÓm cã cïng gi¸ trÞ η nh−ng cã n1’, Q1 ’ kh¸c nhau. Nèi c¸c ®iÓm trong mét tËp hîp l¹i, ta ®−îc c¸c ®−êng ®ång hiÖu suÊt. H×nh (36) m« t¶ ph−¬ng ph¸p x©y dùng c¸c ®−êng ®ång hiÖu suÊt, h×nh (37) lµ kÕt qu¶ x©y dùng ®Æc tÝnh tæng hîp cña tua bin m« h×nh. H×nh 36. Ph−¬ng ph¸p x©y dùng ®−êng ®Æc tÝnh tæng hîp cña TBTN Q1,η(%) 70 n1, n1, Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 62 H ×n h 37 . § Æc tÝ nh tæ ng h îp c hÝ nh c ña tu a bi n m « h× nh η m ax = 82 ,3 % Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 63 4.6. C¸c kÕt luËn rót ra tõ thùc nghiÖm. Tõ c¸c sè liÖu thùc nghiÖm, kÕt qu¶ x©y dùng c¸c ®−êng cong quan hÖ vµ ®Æc tÝnh tæng hîp chÝnh rót ra c¸c kÕt luËn sau: - HiÖu suÊt tua bin ë c¸c ®é më S kh¸c nhau phô thuéc vµo sè vßng quay. HiÖu suÊt tèi −u (ηmax) t−¬ng øng víi sè vßng quay tèi −u: S = 15mm ηmax= 77% n0= 460v/ph S = 25mm ηmax= 82,3% n0= 465v/ph S = 35mm ηmax= 81% n0= 470v/ph S = 45mm ηmax= 78,5% n0= 470v/ph S = Sma ηmax= 77,8% n0= 470v/ph Víi cét ¸p thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ trong qu¸ tr×nh thùc nghiÖm (H= 10,04÷10,24m). - Gi¸ trÞ hiÖu suÊt tèi −u (ηmax) thay ®æi theo ®é më S vµ ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt b»ng 82,3% t¹i ®é më S = 25mm. T¹i ®é më nµy, gi¸ trÞ l−u l−îng qui dÉn nhá (Q1 ’≈212 l/s) vµ v× vËy sè vßng quay ®Æc tr−ng cña tua bin còng thÊp (ns= 60 v/ph). - HiÖu suÊt TBTN t−¬ng ®èi cao (82,3%). Cao h¬n so víi tua bin Banki trong cïng vïng lµm viÖc, phï hîp víi lý thuyÕt c¬ b¶n. - Vïng lµm viÖc cã hiÖu suÊt cao t−¬ng ®èi réng. Víi l−u l−îng qui dÉn (Q1’) thay ®æi tõ 135 l/s ®Õn 300 l/s so víi vïng tèi −u (Q1’≈200 l/s) hiÖu suÊt chØ thay ®æi trong kho¶ng 2%. - Sè vßng quay tèi −u theo thùc nghiÖm ®¹t gi¸ trÞ 470 v/ph. Vïng sè vßng quay qui dÉn tèi −u n1o’=38 ÷45 v/ph phï hîp víi tÝnh tãan ban ®Çu n1o’=39÷41 v/ph. - TrÞ sè oc u=ψ x¸c ®Þnh tõ sè vßng quay tèi −u vµ vËn tèc dßng tia: 1,6125,0* 30 470*14,3* 30 .* 0 ==== RnRu πω m/s 8,1204,10*81,9*2*91,0**20 === HgC ϕ m/s VËy oc u=ψ =0,479 Ta thÊy tû sè oc u=ψ = 0,479 n»m trong giíi h¹n tÝnh to¸n lùa chän, phï hîp víi thùc tÕ. Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 64 - Tõ c«ng thøc thùc nghiÖm tÝnh ®−êng kÝnh dßng tia ë ®é më Smax: dv = 1,2 d0 ⇒ 562,1 67 2,10 === vdd mm L−u l−îng t¹i ®é më nµy ®o ®−îc lµ 224 m3/h (0,062m3/s), tõ ®ã x¸c ®Þnh ®−îc ®−êng kÝnh dßng tia theo c«ng thøc (2.7): 056,0 2*14,3*1,6 062,0*4 ** *4 0 0 === zv Qd π m=56mm Nh− vËy, viÖc tÝnh tãan ®−êng kÝnh dßng tia theo biªn d¹ng vßi phun thùc tÕ t−¬ng ®èi phï hîp. Tæng hîp c¸c kÕt luËn trªn cho thÊy: - C¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm nãi chung phï hîp víi lý thuyÕt c¬ b¶n, n»m trong giíi h¹n cho phÐp. - HiÖu suÊt vßi phun, hiÖu suÊt chung vµ sè vßng quay ®Æc tr−ng cña tua bin m« h×nh vµ cßn thÊp, c¸c th«ng sè qui dÉn ch−a hoµn toµn phï hîp víi tÝnh to¸n. CÇn nghiªn cøu, thùc nghiÖm thªm ®Ó n©ng cao h¬n n÷a hiÖu suÊt vßi phun nãi riªng vµ hiÖu suÊt tua bin nãi chung. Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 65 KÕt luËn C¸c kÕt qu¶ ®Ò tµi ®· ®¹t ®−îc : 1. Qua nghiªn cøu, tæng hîp vµ ph©n tÝch t×nh h×nh nghiªn cøu vµ ph¸t triÓn TBTN trªn thÕ giíi cho thÊy r»ng lo¹i tua bin nµy víi kÕt cÊu hîp lý sÏ rÊt phï hîp víi thñy ®iÖn nhá vµ cùc nhá trong ®iÒu kiÖn tù nhiªn, kinh tÕ vµ tr×nh ®é c«ng nghÖ cña ViÖt Nam hiÖn nay do c«ng nghÖ chÕ t¹o ®¬n gi¶n, dÔ l¾p ®Æt, vËn hµnh, b¶o d−ìng vµ ®Æc tÝnh vËn hµnh tèt. 2. Tæng hîp ®−îc c¬ së lý thuyÕt, lý thuyÕt ®¬n gi¶n cña TBTN ®Ó tõ ®ã rót ra c¸c nguyªn t¾c c¬ b¶n nhÊt trong viÖc tÝnh to¸n thiÕt kÕ. §ång thêi dùa vµo c¸c thùc nghiÖm ®· ®−îc nghiªn cøu tr−íc ®©y ®èi víi c¸c lo¹i tua bin xung kÝch kh¸c ®Ó lµm c¬ së cho viÖc nghiªn cøu thùc nghiÖm TBTN t¹i phßng thÝ nghiÖm. 3. §· ®i s©u ph©n tÝch c¸c qu¸ tr×nh cña dßng ch¶y trong TBTN, ®¸nh gi¸ b¶n chÊt vµ tæn thÊt n¨ng l−îng cña dßng ch¶y trong tõng giai ®o¹n ®Ó cã thÓ ®−a ra ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ c¸c bé phËn mét c¸ch hîp lý n©ng cao hiÖu suÊt chung cña tua bin. 4. X©y dùng ®−îc ph−¬ng ph¸p vµ ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n c¸c th«ng sè c¬ b¶n cña TBTN cho tr¹m thñy ®iÖn trªn m¸y tÝnh gióp cho c«ng viÖc tÝnh to¸n ®−îc nhanh chãng vµ thuËn tiÖn. 5. LÇn ®Çu tiªn ®· thiÕt kÕ vµ ®−a vµo thùc nghiÖm t¹i phßng thÝ nghiÖm mét tua bin m« h×nh tia nghiªng. MÆc dï ®iÒu kiÖn vµ trang thiÕt bÞ cña phßng thÝ nghiÖm ch−a thËt hoµn h¶o nh−ng ®Ò tµi còng ®· ®−a ra ®−îc ®Æc tÝnh n¨ng l−îng vµ ®Æc tÝnh tæng hîp chÝnh ®Çu tiªn cña TBTN ë ViÖt Nam víi ®é tin cËy cã thÓ chÊp nhËn ®−îc. 6. Qua ®Ò tµi, c¸c TBTN ®Çu tiªn cho thñy ®iÖn cùc nhá víi c«ng suÊt tõ 200÷7500W ®· ®−îc s¶n xuÊt vµ ®−a vµo sö dông víi chÊt l−îng tèt t¹i nhiÒu n¬i trong c¶ n−íc vµ s¶n phÈm nµy ®· b¾t ®Çu xuÊt khÈu ra n−íc ngoµi vµ ®−îc ®¸nh gi¸ cao. H−íng nghiªn cøu tiÕp theo: B−íc nghiªn cøu ®Çu tiªn cho thÊy mÆc dï cã rÊt nhiÒu −u ®iÓm nh−ng hiÖu suÊt chung cña TBTN cßn thÊp cÇn ph¶i tiÕp tôc nghiªn cøu ®Ó n©ng cao. H−íng nghiªn cøu tiÕp theo cÇn tËp trung vµo c¸c vÊn ®Ò sau: Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 66 1. Dùa trªn c¸c phÇn mÒm m¹nh vÒ tÝnh to¸n ®éng lùc häc chÊt láng (ANSYS, ...) ®Ó ph©n tÝch dßng ch¶y trong vßi phun vµ trªn BCT t×m ra biªn d¹ng tèi −u cho vßi phun vµ c¸nh g¸o BCT. 2. Thùc nghiÖm ®Ó ®¸nh gi¸ ¶nh h−ëng tõng yÕu tè ®Õn hiÖu suÊt chung cña TBTN nh−: vßi phun, BCT, t−¬ng quan vÞ trÝ gi÷a vßi phun vµ BCT, ... 3. Nghiªn cøu hoµn thiÖn kÕt cÊu, ®é bÒn c¸c chi tiÕt vµ æn ®Þnh cña TBTN ®Ó n©ng cao c«ng suÊt thiÕt kÕ cho lo¹i tua bin nµy. Nghiªn cøu tua bin tia nghiªng phôc vô ph¸t triÓn thñy ®iÖn nhá ë viÖt nam ®Ò tµi kc07 - 04 ViÖn Khoa häc Thñy lîi 67 Tµi liÖu tham kh¶o [1] §Ò tµi cÊp nhµ n−íc vÒ thñy ®iÖn nhá: ‘‘Nghiªn cøu thiÕt kÕ c«ng nghÖ chÕ t¹o vµ kh¶o nghiÖm thiÕt bÞ tßan bé tæ m¸y thñy ®iÖn nhá cã c«ng suÊt tõ hµng tr¨m ®Õn hµng ngµn kW’’ (1994). [2] Vâ Sü Huúnh – NguyÔn ThÞ Xu©n Thu (1992), Tua bin n−íc, Nhµ xuÊt b¶n Gi¸o Dôc, Hµ néi. [3] Vò Duy Quang (1996), Thñy khÝ ®éng lùc häc øng dông, Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa, Hµ néi. [4] NguyÔn Tµi – L−u C«ng §µo (1984), Sæ tay tÝnh tãan thñy lùc, Nhµ xuÊt b¶n N«ng nghiÖp, Hµ néi. [5] ViÖn nghiªn cøu thñy ®iÖn Trung Quèc (1968), TÝnh to¸n, thiÕt kÕ tua bin thuû ®iÖn – Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc kü thuËt B¾c Kinh, b¶n dÞch tiÕng ViÖt. [6] ю.Y. Эдель (1963), Kовшовыe гидpoтуpбины, гocyдapcтвeннoe нayчнo- тexничecкoе издaтельc вo мaшинocтpoитeльнoй литepaтypы мocква. [7] TrÞnh Anh Toµn (2000), Visual Basic 6.0, Nhµ xuÊt b¶n §µ n½ng. [8] Gilkes Brochuers [9] Helmut Scheurer – Reinold Metzler – Bob Yoder (1980), Federal Republic Germany. [10] Newmills Hydro Brochures