Báo cáo Nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng lượng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trường

bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn viện khoa học thủy lợi báo cáo tổng kết chuyên đề nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao thuộc đề tài kc 07.04: “nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng l−ợng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi tr−ờng” Chủ nhiệm chuyên đề: ThS nguyễn vũ việt 5817-7 16/5/2006 hà nội – 5/2006 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi Ch−ơng I. Mở đầu 1 1.1. Đặt vấn đề. 1 1.2. Tổng quan về TĐSN. 1 1.3. Nội dung báo cáo. 7 Ch−ơng II. Phạm vi sử dụng và các thông số cơ bản của tổ máy 8 2.1. Tình hình nghiên cứu chế tạo TĐCN. 8 2.2. Phạm vi sử dụng. 9 2.3. Các thông số cơ bản. 9 2.3.1. Tỷ số 0 1 d D 9 2.3.2. Tỷ số 0 m d d . 10 2.3.3. Hiệu suất tổ máy. 11 2.3.4. Xác định các thông số cơ bản của tổ máy. 13 2.4. Lựa chọn kết cấu cho tổ máy. 14 Ch−ơng III. tính toán, thiết kế các bộ phận chính 16 3.1. Tiêu chuẩn hóa các bộ phận chính. 16 3.2. Vỏ tua bin. 16 3.3. Khoảng cách từ vòi phun đến bánh công tác. 16 3.4. Thiết kế bánh công tác. 17 3.4.1. Ph−ơng h−ớng thiết kế bánh công tác. 17 3.4.2. Xác định các kích th−ớc cơ bản của cánh BCT. 18 3.4.3. Xác định các góc vào của cánh gáo. 18 3.4.4. Xác định các kích th−ớc cơ bản của BCT. 19 3.4.5. Xác định số cánh Z. 20 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 3.5. Tính toán, thiết kế vòi phun. 21 3.5.1. Lý thuyết tính toán. 21 3.5.2. Tính toán vòi phun cho tổ máy TĐSN. 22 3.5.3. Vị trí vòi phun. 24 3.6. Tính toán thiết kế trục. 24 3.6.1. Các thông số để tính toán thiết kế. 25 3.6.2. Biểu đồ nội lực. 25 3.6.3. Tính sơ bộ đ−ờng kính các đoạn trục. 26 3.6.4. Thiết kế kết cấu trục. 27 3.6.5. Tính toán độ bền mỏi của trục. 27 3.6.6. Tính toán trục tua bin về dao động. 29 3.6.7. Kiểm nghiệm độ bền dập của then. 30 3.7. Tính toán lựa chọn ổ lăn. 31 3.8. Tính toán tổn thất thủy lực và lựa chọn đ−ờng ống. 33 3.8.1. Tổn thất cột áp qua l−ới chắn rác. 33 3.8.2. Tổn thất cột áp ở cửa vào của ống dẫn. 33 3.8.3. Tổn thất áp lực đ−ờng ống. 34 Ch−ơng IV. Thí nghiệm và xây dựng đặc tính vận hành 35 4.1. Hệ thống thí nghiệm. 35 4.2. Qui trình thí nghiệm và đặc tính vận hành. 36 4.3. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm. 42 Ch−ơng V. Hệ thống đo l−ờng và điều khiển 43 5.1. Phân loại điều tốc tải giả và nguyên lý làm việc. 43 5.1.1. Hệ thống phụ tải cố định. 43 5.1.2. Hệ thống phụ tải thay đổi. 44 5.2. Thiết bị điều khiển tải giả cho tổ máy công suất nhỏ hơn 1kW. 48 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 5.2.1. Nguyên lý. 48 5.2.2. Khối tải giả. 49 5.3. Thiết bị điều khiển tải giả tổ máy thủy điện siêu nhỏ. 50 Ch−ơng VI. Công trình trạm và quản lý vận hành 53 6.1. Lựa chọn vị trí lắp đặt tổ máy. 53 6.1.1. Ph−ơng pháp xác định cột n−ớc. 53 6.1.2. Xác định l−u l−ợng của nguồn n−ớc. 54 6.1.3. Chọn vị trí lắp đặt máy. 55 6.2. Công trình trạm tổ máy TĐSN. 56 6.2.1. Bể áp lực. 57 6.2.2. Đ−ờng ống áp lực. 59 6.2.3. Van tr−ớc tua bin. 59 6.2.4. Tổ máy TĐSN. 59 6.2.5. Móng máy. 59 6.3. Công tác quản lý vận hành. 61 6.3.1. Lắp đặt và vận hành. 61 6.3.2. Quản lý và bảo d−ỡng sửa chữa. 62 Ch−ơng VII. Kết luận và kiến nghị 64 7.1. Các kết quả mà đề tài đã đạt đ−ợc. 64 7.2. Kiến nghị. 64 Tài liệu tham khảo 65 Phụ lục 66 nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 1 Ch−ơng I. Mở đầu 1.1. Đặt vấn đề. Mặc dù l−ới và nguồn điện quốc gia phát triển mạnh, nh−ng ở n−ớc ta, một bộ phận rất lớn ng−ời dân ở vùng sâu, vùng xa do sống quá phân tán, sẽ không có cơ hội đ−ợc sử dụng nguồn điện này. Ch−ơng trình phát triển nguồn năng l−ợng tái tạo (REAP) của chính phủ với sự tài trợ của các tổ chức quốc tế nh− UB, ADB, JICA … đang nỗ lực hỗ trợ kỹ thuật, tàI chính nhằm phát triển các dạng năng l−ợng táI tạo (NLTT) nh−: thủy điện nhỏ, năng l−ợng gió, năng l−ợng mặt trời,.. với mục tiêu cung cấp điện cho hơn 400 xã ở vùng sâu [1], [2]. Thiết bị thủy điện siêu nhỏ (TĐSN) đã đ−ợc sử dụng rộng rãi ở Việt nam từ nhiều năm nay, theo số liệu của Viện Năng l−ợng, tới năm 2002, cả n−ớc đã lắp đặt khỏang 120.000 tổ máy TĐSN, phần lớn các thiết bị nhập khẩu từ Trung Quốc. ở trong n−ớc, một số cơ quan cũng đã chế tạo thiết bị TĐSN nh−: Viện Vật liệu thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên Quốc gia, Tr−ờng Đại học Bách khoa Hà nội. Trong đề tài KC07 - 04, với mục tiêu nghiên cứu thiết kế và chế tạo các thiết bị thủy điện nhỏ và siêu nhỏ phục vụ cho sinh họat và sản xuất, chế biến nông, lâm, thủy sản đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo và hòan thiện nhằm nâng cao hiệu quả và giảm giá thành chế tạo thiết bị TĐSN. Đồng thời phát triển thủy điện nhỏ và siêu nhỏ thành một hệ thống hòan chỉnh đáp ứng rộng rãi nhu cầu thực tiễn sản xuất. 1.2. Tổng quan về TĐSN. Nhiều n−ớc trên thế giới đã nghiên cứu và chế tạo thiết bị TĐSN, sử dụng 4 loại tua bin chủ yếu: tua bin h−ớng trục (TBHT), tua bin gáo (TBG), tua bin tia nghiêng (TBTN), tua bin xung kích hai lần TBXK2L. Các tổ máy TĐSN đ−ợc chia thành hai loại cơ bản là: tổ máy TĐSN cột n−ớc cao và tổ máy TĐSN cột n−ớc thấp. Với các tổ máy TĐSN cột n−ớc cao (H>10m), ng−ời ta th−ờng sử dụng một trong hai loại tua bin: Tua bin tia nghiêng và tua bin gáo. Ngoài yêu cầu về kỹ thuật, việc lựa chọn loại tua bin nào còn phụ thuộc vào chỉ tiêu giá thành thiết bị. Một số n−ớc có điều kiện tự nhiên cho phép xây dựng các trạm TĐSN cột n−ớc rất cao thì th−ờng thiên về h−ớng chọn tua bin gáo. Hãng IREM (Italia) đã đ−a ra ý t−ởng kết nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 2 cấu rất độc đáo về tua bin gáo có buồng xoắn với tổ hợp 2 đến 6 mũi phun đơn giản (hình 1). Đồng thời việc chế tạo cánh gáo bằng công nghệ gia công áp lực có thể sản xuất hàng lọat cánh gáo với độ chính xác cao thì giải pháp chọn tua bin gáo là phù hợp. Theo h−ớng này còn có các n−ớc ven núi Himalaya nh−: ấn độ, Nê pan,... nh−ng nhìn chung, cột n−ớc cho TĐSN không dễ dàng có đ−ợc trị số quá cao. Hình 1. Tổ máy TĐSN của hãng IREM Khảo sát thực tế ở Việt Nam, tại các tỉnh nh− Hòa Bình, Nghệ An, Hà Giang cho thấy, cột n−ớc phổ biến ở trong khoảng 5 ữ 50 m (trừ các trạm cột n−ớc thấp). Do vậy áp dụng tua bin tia nghiêng cho TĐSN là phù hợp vì các −u điểm sau: - Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, độ bền cao, giá thành hạ. - Đặc tính năng l−ợng tốt. Và tua bin tia nghiêng hoàn toàn cạnh tranh tua bin xung kích 2 lần ở dải công suất siêu nhỏ. Từ năm 1993, các thiết bị TĐSN của Trung Quốc đã bán rộng rãi trên thị tr−ờng Việt Nam với qui mô công suất thực từ 100W đến 1000W, phạm vi cột n−ớc 10 ữ 25m. ở trong n−ớc cũng đã nghiên cứu chế tạo lọai 200W và 500W. Một số kết quả khảo sát nh− sau: nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 3 * TĐSN do Trung Quốc chế tạo: Khảo sát các nhà máy sản xuất TĐSN ở tỉnh Quảng Tây-Trung Quốc chúng tôi nhận thấy đây là các cơ sở sản xuất nhỏ, phân bố ở vùng nông thôn. Sản phẩm đ−ợc sao chép lại từ các mẫu nghiên cứu tr−ớc đây, việc sao chép đã biến dạng do vậy hiệu suất rất thấp. Bù lại với nguyên liệu tự sản xuất đ−ợc trong n−ớc (nh− nam châm cho máy phát) và chi phí nhân công rẻ, tổ chức sản xuất tốt làm cho giá thành cuat thiết bị rất rẻ (250.000đồng/tổ). Trong ch−ơng trình hợp tác cung cấp thiết bị thủy điện (ODA) giai đọan 1995 ữ 2000, phía đối tác Trung Quốc đặt hàng các cơ sở sản xuất này sản xuất loại thiết bị có chất l−ợng cao hơn (đủ công suất) thì giá thành thiết bị cũng tăng rất cao (720.000VNĐ cho tổ máy 300W). Đặc điểm của thiết bị do Trung Quốc sản xuất là sử dụng nam châm Baki Ferit lọai chất l−ợng thấp để chế tạo máy phát nên kích th−ớc máy khá lớn. Tiêu hao các nguyên liệu khác cũng vì thế tăng theo. Bánh công tác chế tạo từng lá cánh có biên dạng hình cầu nên hiệu suất thấp. Hình 2. Lá cánh BCT có biên dạng chỏm cầu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 4 Hình .3. Kết quả thí nghiệm TĐSN cột n−ớc cao do Trung Quốc chế tạo. * Sản xuất TĐSN ở Viện Nam: Viện Vật liệu (thuộc Trung tâm Khoa học Tự Nhiên và Công Nghệ quốc gia) đã nghiên cứu chế tạo TĐSN và đạt đ−ợc những kết quả rất tốt. Viện đã sử dụng nam châm đất hiếm để chế tạo rô to máy phát điện làm thu nhỏ kích th−ớc, tăng tuổi thọ máy phát. Đồng thời viện này cũng đã nghiên cứu công nghệ dập lá cánh BCT tốt hơn, lá cánh không bị cong vênh, nâng cao chất l−ợng gia công, chất l−ợng kim lọai và tiêu chuẩn hóa đ−ợc hai lọai tua bin tia nghiêng là MHG-200HH và MHG- 500HH. Hình 5. Tổ máy MHG500, 200 do Viện Vật liệu chế tạo. HS=f(n) H=7m 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 70 0 80 0 90 0 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 n(v/ph) HS H=7m Poly. (H=7m) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 5 Đi kèm với các tổ máy, viên Vật liệu cũng đã nghiên cứu, sản xuất thiết phân tải, tải giả để điều chỉnh, ổn định điện áp cho tổ máy. Tuy nhiên các thiết bị này còn một số hạn chế sau: - Phạm vi làm việc cột n−ớc khá cao, trong khi nhu cầu thực tế có cột n−ớc thấp hơn. - Hiệu suất tua bin còn thấp. Kết quả thí nghiệm các tổ máy MHG-200HH và MHG-500HH nh− hình 6 và hình7 Hình 6. Kết quả thí nghiệm TĐSN cột n−ớc cao MHG - 200HH do Viện vật liệu chế tạo. Hình 7. Kết quả thí nghiệm TĐSN cột n−ớc cao MHG - 500HH do Viện vật liệu chế tạo. HS=f(n) H=5m H=6.2m H=7m 0.25 0.26 0.27 0.28 0.29 0.30 0.31 0.32 0.33 70 0 80 0 90 0 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 n(v/ph) HS H=5m H=6.2m H=8m Poly. (H=5m) Poly. (H=6.2m) Poly. (H=8m) HS=f(n) H=10m H=9m H=8m 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 700 800 900 100 0 110 0 120 0 130 0 140 0 n(v/ph) HS H=10m H=9m H=8m Poly. (H=10m) Poly. (H=9m) Poly. (H=8m) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 6 Đối với các tổ máy TĐSN có cột n−ớc thấp ( H ≤ 2ữ5 m ) ng−ời ta th−ờng sử dụng TBHT buồng hở hoặc buồng kín dạng ống, một số n−ớc tiên tiến chế tạo TBHT có máy phát ngâm trong n−ớc (loại tua bin chìm). 1.3. Nội dung báo cáo. Trong báo cáo này trình bày các nghiên cứu tòan diện về tổ máy TĐSN cột n−ớc cao sử dụng TBTN nhằm hòan thiện các sản phẩm TĐSN và xây dựng gam tua bin TĐSN một cách có hệ thống, đáp ứng rộng rãi nhu cầu của nhân dân miền núi mà đề tài KC07 đã đ−a ra. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 7 Ch−ơng II. Phạm vi sử dụng và các thông số cơ bản của tổ máy 2.1. Tình hình nghiên cứu chế tạo TĐCN. Một đặc điểm cơ bản của thủy điện là các thông số cơ bản nh− cột áp H, công suất P luôn khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên và nhu cầu sử dụng từng trạm. Thực tiễn cho thấy TĐSN đ−ợc sử dụng rộng rãi trong phạm vi H = 0,5 ữ20 m. Với tập quán sử dụng, các trạm thủy điện có H = 1 ữ 2 m th−ờng sử dụng TBHT. ở vùng cột n−ớc thấp H ≤ 1 m có thể sử dụng TBHT, guồng n−ớc (Water Well), tua bin kiểu XK2L hoặc nhân dân miền núi sáng tạo lọai guồng h−ớng trục (ảnh), có hiệu suất thấp. Nhìn chung, cho tới nay, vùng H < 1 m và H = 2 ữ5 m, vẫn ch−a có giải pháp công nghệ nào phù hợp (hiệu suất chấp nhận, giá rẻ). Phần lớn các tổ máy đang sử dụng có H = 1 ữ 2 m. ở vùng cột n−ớc cao, các tổ máy do Trung Quốc sản xuất đ−ợc sử dụng trong phạm vi H = 10 ữ 20 m, Viện vật liệu có sản xuất loại 200 W, H = 6 m, các thông số cơ bản nh− bảng 1. Bảng 1 Phạm vi sử dụng STT Loại TB H (m) Q (l/s) P(W) Ghi chú 1 TBTN do Trung Quốc sản xuất 10 ữ 20 100 ữ 500 Hiệu suất thấp 5 6,3 100 2 MHG - 200HH 6 6,4 200 7 7,4 275 8 7,9 325 9 8,4 390 10 8,9 460 3 MHG - 500HH 11 9,1 520 Nguồn: Cataloge của Asian Phoenex Resources Ltd. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 8 Một số nhận xét: 1. Các thiết bị TĐSN do Trung Quốc sản xuất đang bán tại thị tr−ờng Việt Nam, có hiệu suất rất thấp ηmax = 25% (hình 1.3), nguyên nhân chính là chất l−ợng của cả tua bin và máy phát đều thấp. 2. Thiết bị TĐSN do Viện vật liệu sản xuất đã có những cải tiến đáng kể, đặc biệt là máy phát đã sử dụng nam châm đất hiếm có chất l−ợng cao, nên giảm kích th−ớc và tăng công suất tổ máy, hiệu suất đã tăng lên (ηmax= 45%). 3. Vùng làm việc của tổ máy hẹp và ch−a đáp ứng nhu cầu đa dạng của thực tiễn. Từ nhận xét trên, h−ớng giải quyết của đề tài bao gồm: 1. Nâng cao hiệu suất của tổ máy. 2. Phân tích hệ thống để xác định phạm vi làm việc của từng thiết bị. 3. Giảm giá thành của sản phẩm. 2.2. Phạm vi sử dụng. Kết quả nghiên cứu trong phần gam thủy điện nhỏ và cực nhỏ đã gam hóa một số loại TBTN cỡ nhỏ với D1 = 10 cm và D1 = 15 cm. Phạm vi và thông số làm việc cơ bản của TBTN có D1 = 10 cm cho TĐSN nh− bảng 2. Bảng 2 Cột n−ớc H (m) 6,5 6,5 ữ 7 10 ữ 12 10 ữ 15 18 ữ 25 L−u l−ợng Q (l/s) 6 12 7 ữ 8 Số vòng quay (v/ph) 1000 1000 1000 1000 1500 Số mũi phun Z 1 2 1 1 1 Công suất P(W) 200 500 200 500 500 ữ 1000 2.3. Các thông số cơ bản. 2.3.1. Tỷ số 0 1 d D . D1: Đ−ờng kính bánh công tác (BCT) d0: Đ−ờng kính dòng tia tại chỗ co hẹp nhất. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 9 Tỷ số 0 1 d D rất quan trọng vì nó quyết định kích th−ớc và hiệu suất của tổ máy. Trong TBTN, l−u l−ợng qui dẫn xác định theo công thức: 2 1 0' 1 )(**41,3 D dZQ = (2.1) Việc tăng 0 1 d D , sẽ làm tăng Q1 ’ , tăng công suất tổ máy. Kết quả nghiên cứu [8] cho thấy 0 1 d D =3.5 ữ 9.5 Trong đề tài, để tăng công suất tổ máy đã chọn 0 1 d D = 3.5 và 4 để thử nghiệm. 2.3.2. Tỷ số 0 m d d . dm: Đ−ờng kính miệng ra của mũi phun Việc lựa chọn 0 m d d có ảnh h−ởng quan trọng tới khả năng làm việc và hiệu suất của tua bin, với các mũi phun tiêu chuẩn, tỷ số 0 m d d = 1,1 ữ 1,25. Nh−ng trong thiết kế TĐSN, để giảm kích th−ớc cho tổ máy trong điều kiện độ giảm hiệu suất trong giới hạn cho phép, nên các chi tiết đ−ợc lựa chọn có một số thay đổi, cần phải kiểm tra lại các hệ số tính toán. Đề tài đã tiến hành thí nghiệm thuỷ lực dòng phun, để xác định lại hệ số Km nh− hình 8. Kết quả thử nghiệm cho một số nhận xét sau: 1. Thử nghiệm các mũi phun của TBTN đã sản xuất cho thấy: do lựa chọn kết cấu đơn giản, nên kim phun th−ờng bị lệch, dòng tia không đối xứng trục. Một số dòng tia bị phá vỡ cấu trúc, gây tổn thất cho tua bin với hai nguyên nhân: - Xuất hiện dòng ngang, tiêu hao một phần năng l−ợng - Dòng tia bị lệch, một phần dòng không chảy qua cánh BCT, mà phun lên bầu và vành BCT gây tổn thất thể tích. 2. ở khoảng cách nhỏ L ≤ 4 do độ loe của dòng tia bằng 1,17 ữ 1,2 d0. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 10 Hình 8. Thử nghiệm vòi phun tổ máy TĐSN 2.3.3. Hiệu suất tổ máy. Để phục vụ cho giai đoạn tính toán sơ bộ, cần xác định hiệu suất sơ bộ của tua bin và máy phát. Kết quả thí nghiệm cho máy phát TĐSN do phòng thí nghiệm thiết bị điện, Tr−ờng Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện nh− hình 9 và hình 10. Hình 9. Đặc tính máy phát 200W do Viện Khoa học Thủy lợi chế tạo 0 200 400 600 800 980 990 1000 1010 1020 1030 Pcơ P f Uf η nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 11 Hình 10. Đặc tính máy phát 500W do Viện Khoa học Thủy lợi chế tạo Hiệu suất của tua bin phụ thuộc vào hiệu suất của dòng chảy qua vòi phun và qua BCT. Kết quả nghiên cứu của I.N.XMIRNOP [7] cho thấy, khi d0 < 55mm trị số hiệu suất tua bin giảm khá nhanh (với TB gáo). Kết quả này có thể sử dụng cho TBTN: Hình 11. Độ suy giảm hiệu suất khi đ−ờng kính dòng tia < 55mm Theo kết quả trên, ∆η1 = 2 ữ 3%. Hiệu suất còn bị ảnh h−ởng của công nghệ do TBTN TĐSN có kích cỡ nhỏ. Tuy nhiên trên thực tế, ảnh h−ởng công nghệ tới hiệu suất TBTN cỡ nhỏ có khả năng lớn vì: 0 50 100 150 200 250 300 350 1150 1200 1250 1300 1350 1400 Uf Pcơ Pf η nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 12 - Chất l−ợng mũi phun không tốt, có khả năng xẩy ra hiện t−ợng lệch hoặc khuyếch tán dòng tia. - Biên dạng cánh không đảm bảo. - Độ chính xác gia công không cao, gây lệch dòng phun vào cánh. Dựa vào kết quả nghiên cứu tua bin tâm trục, có thể lấy độ suy giảm hiệu suất do công nghệ ∆η2 = 3 ữ 4%. Do vậy hiệu suất thuỷ lực của BCT η = ηtb - ∆η1 - ∆η2 ở chế độ tối −u: ηtu = 84% - 4% – 3% = 77% ở chế độ Qi max: η = 81% - 4% – 3% = 74% Công suất tua bin đ−ợc xác định: P = 9,81. Q.H. ηtb . ηmf= 9,81.Q.H.0,77.0,7 ≈ 5,3 .Q.H 2.3.4. Xác định các thông số cơ bản của tổ máy. Các công thức tính toán: Q = v.F = ϕ . 4 dgH2 2 0π (2.2) ϕ: Hệ số vận tốc mũi phun ϕ = 0,96 ữ 0,98, chọn ϕ = 0,96. g: gia tốc trọng tr−ờng, g = 9,81 m/s2 Kết quả tính toán sơ bộ nh− bảng 3. Bảng 3 H 6,5 12 20 d0 2,5 2,5 2,5 Q 5,3 7,2 9,3 P 183 458 985 d0 2,6 2,6 2,6 Q 5,75 7,8 10 P 198 496 1060 d0 1,8 1,8 Q 3,8 4,8 P 237 512 Kết luận: Tổ hợp các thông số cơ bản: nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 13 D1 = 10cm d0 = 2,6 và 1,8 cm n = 1000 và 1500 v/ph P = 200, 500, 1000 W Từ đó tiêu chuẩn hóa đ−ợc 05 lọai thiết bị TĐSN sử dụng TBTN nh− bảng 4. Bảng 4 STT Loại thiết bị TĐSN Công suất (W) Cột áp (m) L−u l−ợng (l/s) 1 2 3 4 5 TN200 - 10/1x2,6 TN500 - 10/1x2,6 TN200 - 10/1x1,8 TN1000 - 10/1x2,6 TN500 - 10/1x1,8 200W 500W 200W 1000W 500W 6,5 12 12 20 20 5,8 7,8 3,8 10 4,8 2.4. Lựa chọn kết cấu cho tổ máy. Với TBTN có 2 kết cấu: + Kết cấu trục ngang, th−ờng sử dụng cho các tổ máy có số mũi phun 1 và 2, có máy phát điện sản xuất độc lập. Kết cấu này dễ lắp đặt, sửa chữa, nh−ng có kích cỡ lớn hơn kết cấu trục đứng. + Kết cấu trục đứng: Th−ờng sử dụng cho các tổ máy có máy phát đ−ợc thiết kế, chế tạo riêng theo ý đồ của nhà thiết kế, có thể dùng cho tổ máy siêu nhỏ và một số hãng (nh− Newmill - Anh) dùng cho tổ máy công suất lớn và có số mũi phun Z > 2. + Với thuỷ điện siêu nhỏ: Do tính chất sản xuất hàng loạt, để giảm nhẹ kích th−ớc tổ máy và hạ giá thành thì đều dùng kết cấu trục đứng (hình 12). nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 14 Hình 12. Kết cấu tổ máy TĐSN dùng TBTN Kết cấu nh− vậy có một số −u điểm nh− sau: - Thân ổ kéo dài xuống phía d−ới nhằm làm giảm độ công son của cánh. Tăng ổn định cho BCT và rotor của máy phát. - Tổ máy gọn nhẹ, dễ lắp đặt và sử dụng. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 15 Ch−ơng III. tính toán, thiết kế các bộ phận chính 3.1. Tiêu chuẩn hóa các bộ phận chính. Tổ máy TĐSN sử dụng TBTN gồm 3 bộ phận chính: thân tua bin, cụm mũi phun và cơ cấu kim phun, máy phát và trục, để tổ hợp thành 4 loại tua bin với phạm vi sử dụng khác nhau nh− dã trình bày trong ch−ơng II, có một số chi tiết dùng chung và có một số chi tiết phải thay đổi. 3.2. Vỏ tua bin. Với chức năng bảo đảm thoát n−ớc sau khi ra khỏi BCT với D1 = 10 cm và là giá đỡ cho các cụm chi tiết khác nh− máy phát, mũi phun. Kết quả thực tế vỏ tua bin nh− sau: - Tổ máy TN200 - 10/1x2,6 và TN200-10/1x1,8 loại vỏ nhỏ - Tổ máy TN500 - 10/1x2,6 và TN1000-10/1x2,6 và TN500-10/1x1,8 có kích th−ớc vỏ lớn hơn. 3.3. Khoảng cách từ vòi phun đến bánh công tác. Khoảng cách L phụ thuộc vào kết cấu của vỏ tuabin và cấu trúc dòng chảy sau khi ra khỏi mũi phun. Khoảng cách L càng lớn, dòng chảy càng bị loe, dẫn tới khả năng giảm hiệu suất thủy lực của tổ máy. Theo kết quả nghiên cứu [8], L ≤ 5d0 (hình 13). Hình 13. Vị trí của vòi phun so với BCT Theo kết quả thử nghiệm các mũi phun tại phòng thí nghiệm HPC, do kết cấu và công nghệ chế tạo vòi phun đơn giản nên cho thấy chọn L ≤3,5 d0 t−ơng ứng các yếu tố đặt ra (hình 14). L nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 16 Hình 14. Thí nghiệm xác định đ−ờng kính dòng tia tại các mặt cắt ngang khác nhau tại HPC 3.4. Thiết kế bánh công tác. 3.4.1. Ph−ơng h−ớng thiết kế bánh công tác. Hiện này có 2 xu h−ớng thiết kế và chế tạo BCT cho TBTN cỡ nhỏ: + Lá cánh BCT có dạng mặt cầu. Dạng cánh này dễ chế tạo, giá thành thấp. Th−ờng chế tạo bằng ph−ơng pháp ép nguội. Nh−ợc điểm cơ bản của ph−ơng pháp này là hiệu suất thủy lực nhỏ do năng l−ợng không truyền đ−ợc hết cho BCT. + Lá cánh có biên dạng theo đúng thiết kế của TBTN cỡ lớn. Dạng cánh này có −u điểm là hiệu suất cao nh−ng khó chế tạo. Để nâng cao hiệu suất tổ máy, đề tài đi theo h−ớng thiết kế, chế tạo cánh BCT có biên dạng theo đúng tính toán, thiết kế nh−ng trên giải pháp công nghệ để hạ giá thành chế tạo. Biên dạng đ−ợc thiết kế theo mẫu BCT của TBTN (đ−ợc trình bày trong phần báo cáo kết quả nghiên cứu TBTN) nh−ng đ−ợc đơn giản hóa ở một số chi tiết: - Thay thế vành ngoài bằng vành thép đai có mặt cắt tròn hoặc vuông. Nhờ giải pháp này, có thể giảm 0 1 d D từ 4 xuống 3,5 - Lá cánh có độ dày biến đổi đ−ợc thay thế bởi lá cánh có độ dày không đổi (đ−ợc ché tạo bằng ph−ơng pháp ép nguội) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 17 - Một số mặt cắt sát vành và bầu đ−ợc sửa theo điều kiện công nghệ. 3.4.2. Xác định các kích th−ớc cơ bản của cánh BCT. Dựa vào kích th−ớc cơ bản BCT mẫu, xác định đ−ợc các kích th−ớc cơ bản của BCT với D1 = 10 cm nh− sau: Hình 15. Các thông số hình học cơ bản của BCT TBTN - Đ−ờng kính bầu ở lối vào: dbV = 0,734D1 = 73,3mm - Đ−ờng kính bầu ở lối ra: dbR = 0,507D1 = 50,7mm - Bán kính cong của bầu: Rb = 0,487D1 = 48,7mm - Chiều cao của bầu: H = 0,330D1 = 33mm - Đ−ờng kính vành ở lối vào: Dv = 1,440D1 = 14,4mm - Đ−ờng kính lối ra lớn nhất: D3 = 1,750D1 = 17,5mm - Đ−ờng kính lối ra nhỏ nhất: D2 = 0,283D1 = 28,3mm - Chiều rộng của cánh: B1 = 0,373D1 = 37,3mm - Chiều rộng cánh ở lối ra nhỏ nhất: B2 = 0,303D1 = 30,3mm - Chiều rộng cánh ở lối ra lớn nhất: B3 = 0,174D1 = 17,4mm - Đ−ờng kính ngoài của vành: DN = 1,824D1 = 18,2mm - Chiều cao của vành: h= 0,113D1 = 11,3mm 3.4.3. Xác định các góc vào của cánh gáo. Các góc vào ở mép vào của cánh gáo xác định theo công thức: nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 18 0 1 2 1 1 cos2 2sin R R arctg i i − = α αβ (3.1) Trong đó: β1i là góc tại cửa vào của cánh gáo ở vị trí có bán kính là Ri R0 là bán kính danh nghĩa của bánh xe công tác (R0 = D1/2). Các góc β1i đ−ợc xác định tại mặt cắt trụ có bán kính Ri và trị số của nó đ−ợc ghi trong bảng 5. Bảng 5 Mặt cắt Ri βi Mặt cắt Ri βi 0 32 37,34866 11 54 53,67687 1 34 38,48008 12 56 55,66982 2 36 39,67056 13 58 57,76202 3 38 40,92373 14 60 59,95506 4 40 42,24339 15 62 62,24953 5 42 43,63344 16 64 64,64476 6 44 45,09792 17 66 67,13864 7 46 46,64088 18 68 69,72737 8 48 48,26638 19 70 72,40532 9 50 49,97841 20 72 75,16493 10 52 51,78074 3.4.4. Xác định các kích th−ớc cơ bản của BCT. Biên dạng profin cánh bao gồm: góc vào, ra, thay đổi độ cong của profin cánh, chiều dài lá cánh, đ−ợc xác định theo mẫu. Kết quả tính toán biên dạng lá cánh BCT và mặt cắt ngang BCT nh− hình 16. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 19 Hình 16. Biên dạng các mặt cắt lá cánh Kết quả xâu cánh, mặt bằng ở mép vào và mép ra nh− hình 17. Hình 17. Mặt bằng ở mép vào và mép ra của lá cánh BCT 3.4.5. Xác định số cánh Z. - Số lá cánh Z phụ thuộc vào đ−ờng kính BCT D1 , độ dày cánh. Theo điều kiện công nghệ và điều kiện bền, độ dày cánh đ−ợc chọn δ = 3 mm. nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tổ máy thủy điện cực nhỏ cột n−ớc cao Đề tài KC07 - 04 Viện Khoa học Thủy lợi 20 - Số cánh đ−ợc chọn theo mẫu, sao cho tỷ lệ const L S = Hình 18. Sơ đồ dòng chảy vào BCT TBTN Kế