Đồ án Thiết kế tuốc bin gáo và bộ điều chỉnh thủy lực vòi phun và cơ cấu cắt dòng

1. Mục đích và ý nghĩa kinh tế, xã hội của đề tài. 1.1. Mục đích của đề tài. Nền kinh tế nước ta hiện nay nói chung các ngành công nghiệp nói riêng đang từng bước phát triển mạnh mẽ và có những bước tiến vững chắc, đồng thời với sự phát triển kinh tế, nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng cao. Trước đây ở miền Trung và miền Nam nguồn điện chủ yếu dựa vào các nhà máy nhiệt điện, các nhà máy điện Diesel đã có sẵn. Nhưng hiện nay các nhà máy này đã cũ, công suất đã giảm đi rất nhiều, bên cạnh đó các nguồn năng lượng khác chưa khai thác triệt để. Do vậy ngành điện chưa đáp ứng được nhu cầu điện năng cho các ngành công nghiệp và nhu cầu của nhân dân. Đứng trước tình hình này, ngành công nghiệp điện năng đã và đang phát triển hệ thống năng lượng quốc gia trong đó việc tìm kiếm và xây dựng các nhà máy thuỷ điện công suất vừa và nhỏ là biện pháp cơ bản để tăng sản lượng điện năng. Mặc khác, hiệp ước quốc tế về Nghị định thư Kyoto có hiệu lực vào tháng 2 năm 2005, đã thiết lập thị trường về môi trường lớn nhất và thực sự lần đầu tiên có trên thế giới cho việc mua bán “tín dụng cácbon”. Và lần đầu tiên nó cũng xác lập các mục tiêu về cắt giảm phát thải mang tính ràng buộc đối với các nước phát triển. Nghị định này cũng đề ra các cơ chế cho việc mua bán cácbon dựa trên các dự án, và cho đến nay, năng lượng tái tạo - đặc biệt là thuỷ điện – là một trong những hình thức dự án thành công nhất. 1.2. Ý nghĩa kinh tế. Lợi ích lớn nhất của thuỷ điện là hạn chế được giá thành nhiên liệu. Các nhà máy thuỷ điện không phải chịu cảnh tăng giá của nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí ga tự nhiên hay than đá, và không cần phải nhập nhiên liệu. Các nhà máy thuỷ điện cũng có tuổi thọ lớn hơn các nhà máy nhiệt điện, một số nhà máy thuỷ điện đang hoạt động hiện nay đã được xây dựng từ 50 đến 100 năm trước. Chi phí nhân công cũng thấp bởi vì các nhà máy này được tự động hoá cao và có ít người làm việc tại chỗ khi vận hành thông thường.Theo đánh giá các chuyên gia trong ngành thuỷ điện, đa số các nhà máy thuỷ điện nói trên đều có chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tốt. Suất đầu tư và thiết bị nhập ngoại tính trên đơn vị công suất thấp hơn nhiều so với nhiệt điện trong khi giá thành sản xuất điện năng chỉ bằng khoảng 20 % so với nhà máy nhiệt điện chạy bằng than Các nhà máy thuỷ điện hồ chứa bằng bơm hiện là công cụ đáng chú ý nhất để tích trữ năng lượng về tính hữu dụng, cho phép phát điện ở mức thấp vào giờ thấp điểm (điều này xảy ra bởi vì các nhà máy nhiệt điện không thể dừng lại hoàn toàn hàng ngày) để tích nước sau đó cho chảy ra để phát điện vào giờ cao điểm hàng ngày. Việc vận hành cách nhà máy thuỷ điện hồ chứa bằng bơm cải thiện năng lực cung cấp của hệ thống phát điện. Những hồ chứa được tạo thành bởi các nhà máy thuỷ điện thường là những cơ sở thư giãn tuyệt vời cho các môn thể thao nước, và trở thành điểm thu hút khách du lịch. Các đập đa chức năng được xây dựng để tưới tiêu, kiểm soát lũ, hay giải trí, có thể xây thêm một nhà máy thuỷ điện với giá thành thấp, tạo nguồn thu hữu ích trong việc điều hành đập. Thủy điện là một trong những nguồn năng lượng tái tạo chủ đạo của nước ta. Năng lượng thủy điện có độ tin cậy cao, giá thành rẻ hơn so với những nguồn năng lượng tái tạo khác như gió, địa nhiệt, sinh khối hay năng lượng mặt trời. 1.3. Ý nghĩa xã hội. Sự vận hành của các nhà máy thủy điện không phát thải khí CO2, SOx, NOx hay bất kỳ một khí độc hại nào khác. Thêm nữa chúng cũng không sản xuất ra bất kỳ một loại chất thải rắn nào. So với các nguồn năng lượng khác thì thuỷ năng ở nước ta đặc biệt là Miền Trung là dồi dào do ở đây có nhiều thác nước rất cao đến vài trăm mét do vậy thuận lợi cho việc xây dựng các nhà máy thuỷ điện. Ngoài ra thuỷ điện còn có những ưu thế khác nữa như khả năng mang lại lợi ích tổng hợp cho nền kinh tế quốc dân trên nhiều mặt: -Tham gia chống lũ vào mùa mưa -Tăng thêm nguồn nước cho hạ lưu trong mùa khô, kết hợp thuỷ lợi phục vụ sản suất nông nghiệp, phát triển nuôi trồng thuỷ sản. Tuốc bin nước là thiết bị trực tiếp biến đổi năng lượng dòng nước thành cơ năng làm quay máy phát điện sinh ra điện năng. Do vậy việc khảo sát và thiết kế các bộ phận tuốc bin của trạm thuỷ điện nhằm đáp ứng nhu cầu trên. Mục đích chính của đề tài là thiết kế và điều chỉnh tuốc bin gáo với các thông số cho ban đầu: -Cột áp: H = 191 (m) -Lưu lượng: Q = 0,55 ( m3/s) -Số vòng quay: n = 500 (v/p) 1. Tổng quan về tuốc bin xung lực, tuốc bin gáo. 2.1. Tuốc bin xung lực. 2.1.1. Cách sử dụng năng lượng nước trong tuốc bin xung lực. Năng lượng nước thiên nhiên của một đoạn sông được xác định như sau:
(2.1) Muốn khai thác nguồn năng lượng này để phát điện chúng ta phải xây dựng các trạm thủy điện gồm các công trình: đập, hồ chứa, các thiết bị máy móc thủy lực…. Tổn thất trong nhà máy thủy điện do lưu lượng bị mất đi vì bốc hơi, thấm qua lòng hồ, tổn thất đường ống, qua tuốc bin…Do đó công suất của nhà máy thủy điện nhỏ hơn công suất thiên nhiên. Công suất nhà máy thủy điện được tính như sau:
(2.2) Với:
Trong đó:
: Hiệu suất của tuốc bin
: Hiệu suất của máy phát
: Hiệu suất truyền động
Từ hai công thức trên, muốn khai thác năng lượng nước chúng ta phải giải quyết 3 vấn đề sau: Tập trung cột nước H Tập trung và điều tiết lưu lượng Q Nâng cao hiệu suất của tuốc bin, máy phát và hệ thống truyền động Do tuốc bin xung lực là loại tuốc bin có số vòng quay đặc trưng nhỏ ứng với lưu lượng bé cho nên chúng ta chỉ sử dụng nơi nào có cột áp lớn và bể áp lực(hình 2.1.1)
Hình 2.1.1. Sơ đồ thể hiện cách sử dụng năng lượng nước cho tuốc bin xung lực 1- Bể áp lực; 2- Đường ống áp lực; 3- Tuốc bin xung lực. Do khu vực Miền trung và Tây Nguyên bao gồm những đoạn sông mà thượng lưu thường có độ dốc lớn nên ta phải tập trung cột nước bằng đường dẫn. Xét năng lượng của chất lỏng truyền cho bánh công tác của tuốc bin. Theo phương trình Becnully năng lượng dòng chảy ở phía trước và sau bánh công tác: (hình 2.1.2)
Hình 2.1.2. Sơ đồ tính toán năng lượng qua tuốc bin Ta có:
(2.3)
(2.4) Trong đó:
: trọng lượng riêng của nước.
: hệ số hiệu chỉnh động năng dòng chảy tại mặt cắt 1-1 và 2-2.
: vận tốc trung bình dòng chảy tại mặt cắt 1-1 và 2-2. Năng lượng đơn vị dòng chảy truyền cho bánh công tác tuốc bin: H = e1 – e2 =
(2.5) Với: H: cột áp làm việc của tuốc bin. Đặt At =
: thế năng dòng chảy (2.6) Ađ =
: động năng dòng chảy (2.7) Tuốc bin xung lực là loại tuốc bin chỉ sử dụng phần động năng của dòng nước để làm quay bánh công tác. Loại này còn được gọi là tuốc bin dòng chảy không áp vì dòng chảy trong môi trường khí quyển nên chuyển động của dòng tia trên cánh bánh xe công tác là chuyển động không áp, áp suất cửa vào và cửa ra như nhau và bằng áp suất khí quyển. Dưới đây là biểu đồ phân bố năng lượng cho tuốc bin xung lực: (hình 2.1.3)
Hình 2.1.3. Biểu đồ phân bố năng lượng của tuốc bin xung lực 2.1.2. Đặc điểm và phân loại tuốc bin xung lực. Tuốc bin xung lực có những đặc điểm thủy lực sau: (hình 2.1.3) - Vận tốc vòng tại cửa vào u1 bằng vận tốc vòng u2 tại cửa ra của tuốc bin (u1 = u2). - Vận tốc tương đối tại cửa vào w1 bằng vận tốc w2 tại cửa ra của tuốc bin (w1 = w2). - Áp suất cửa vào p1 bằng áp suất cửa ra p2 và bằng áp suất khí quyển (p1 = p2 = pa). - z1, z2 đặt cao hơn mức nước hạ lưu.
Hình 2.1.3. Tuốc bin xung lực được chia ra thành các loại sau: - Tuốc bin gáo - Tuốc bin phun xiên - Tuốc bin xung lực 2 lần 2.1.3. Phạm vi sử dụng của tuốc bin gáo. Dựa vào cột áp H: Tuốc bin gáo loại lớn có phạm vi sử dụng cột nước từ 300
2000 m hoặc cao hơn nữa, còn tuốc bin gáo loại nhỏ thì từ 40
250 m. Trục tuốc bin gáo có thể đặt đứng hoặc ngang. Loại đặt ngang có công suất bé và có từ 1
2 vòi phun cho một bánh công tác. Loại trục đứng có số vòi phun nhiều hơn từ 2
4 vòi phun, có khi đến sáu cái. Các vòi phun được bố trí đều xung quanh bánh công tác.
Hình 2.1.4. Biểu đồ thể hiện phạm vi sử dụng TB xung kích loại vừa và nhỏ 2.2. Cấu tạo chung của tuốc bin gáo. Theo bản vẽ tổng thể của tuốc bin gáo (hình 2.2.1) thì tuốc bin này gồm các bộ phận chính sau: bánh xe công tác, vòi phun điều chỉnh lưu lượng, cơ cấu cắt dòng, vỏ và trục tuốc bin.
Hình 2.2.1. Bản vẽ tổng quan về tuốc bin gáo (1): Cơ cấu cắt dòng; (2): Vòi phun; (3): Van kim; (4): Gáo tuốc bin; (5): Trục tuốc bin; (6): Vỏ che ngoài; (7): Thân vòi phun; (8): Lò xo nén 2.2.1. Bánh xe công tác. Bánh xe công tác của tuốc bin gáo gồm có đĩa, trên đĩa (theo chu vi) có gắn các cánh có dạng gáo nên gọi là gáo (hình 2.2.2). Phụ thuộc vào cột nước mà số lượng gáo khoảng từ 14 đến 60 cái.
Hình 2.2.2. Sơ đồ kết cấu của gáo. Bánh xe công tác có thể là một khối liền (khi các gáo cùng đĩa được đúc thành một khối) và không phải là khối liền (khi gáo được đúc riêng). Sau đó gắn lên đĩa bằng bu lông hoặc bằng cách ghép hay hàn.Chính giữa gáo có “dao” chia gáo ra thành hai phần bằng nhau để chia tia nước tác động vào gáo thành hai phần theo hai hướng khác nhau. Mép ngoài gáo có khoét lõm vào để cho gáo đến tiếp theo không vào ngay khu vực tác dụng của tia nước, làm cản trở lực tác dụng của tia nước vào gáo nằm ngay phía trước, cũng như để khi gáo ra khỏi khu vực tác dung, nước sau khi tác dung vào các gáo không rơi lên lưng các gáo phía trước. 2.2.2. Vòi phun, kim phun. Vòi phun có nhiệm vụ biến toàn bộ năng lượng nước thành động trước khi đưa vào bánh công tác, ngoài ra còn điều chỉnh lưu lượng đi vào tuốc bin. Như vậy ở tuốc bin gáo (cũng như ở các tuốc bin xung lực khác), vòi phun làm nhiệm vụ của bộ phận hướng dòng.
Hình 2.2.3. Vòi phun của tuốc bin gáo 1. Thân vòi phun; 2. Miệng vòi; 3. Van kim; 4. Trục điều chỉnh. Vòi phun gồm có thân vòi 1 là đoạn tiếp giáp với khuỷu chuyển tiếp miệng vòi 2 và van kim điều chỉnh 3. Hình dáng của miệng vòi và van kim phải thuận dòng để có tổn thất thuỷ lực bé nhất đồng thời tạo được tia phun tròn sau khi dòng nước ra khỏi vòi. Điều chỉnh lưu lượng đi qua vòi (cũng đồng thời là lưu lượng đi qua tuốc bin) được tiến hành bằng cách tịnh tiến van kim về phía trước hoặc phía sau tức là gián tiếp giảm nhỏ hoặc tăng tiết diện ra của vòi phun. Ở các tua bin nhỏ việc tịnh tiến van kim do một cơ cấu điều khiển bằng tay đảm nhiệm; còn ở các tuốc bin trung bình và lớn được tiến hành tự động nhờ động cơ tiếp lực bằng dầu 2.2.3. Vỏ và buồng thoát. Vỏ tuốc bin có nhiệm vụ không cho nước từ bánh xe công tác bắn ra ngoài không gian máy. Vỏ phải có kích thướt và hình dáng thế nào để hướng nước bắn vào nó đi xuống buồng thoát mà không rơi ngược trở lại phía sau gáo làm cản trở sự quay của bánh xe công tác. Buồng thoát có nhiệm vụ tập trung nước sau khi đi ra khỏi bánh xe công tác lại, để theo kênh tháo xuống hạ lưu. Vì quá trình làm việc của tuốc bin gáo xảy ra trong môi trường không khí nên buồng thoát và cả kênh tháo là không áp. Chúng phải bảo đảm mực nước ngay ở dưới bánh xe công tác thấp hơn cao trình thấp nhất của bánh xe công tác một khoảng cách nào đó. 2.2.4. Cơ cấu cắt dòng. Ở các trạm thuỷ điện cột nước cao có đường ống dẫn nước dài; nếu đóng nhanh van kim sẽ làm tăng áp lực cuối đường ống (hiện tượng va đập thủy lực). Khi cần ngưng tuốc bin người ta dùng cơ cấu cắt dòng để hướng toàn bộ hay một phần tia nước về phía khác không cho tác dụng vào gáo bánh xe công tác, do đó tuốc bin sẽ ngừng làm việc hoặc giảm bớt công suất. Khi cắt dòng nếu cắt toàn bộ tia nước không cho tác dụng vào bánh xe công tác (hình a) thì đó gọi là cắt dòng trên và cắt dòng dưới thì chỉ hướng một phần tia nước không cho tác dụng vào bánh công tác (hình b).
(a) (b) Hình 2.2.4. Sơ đồ nguyên lý làm việc của cơ cấu cắt dòng (a): Cắt dòng trên (b): Cắt dòng dưới Sau đó van kim ở vòi phun sẽ đóng từ từ trở lại nên không gây ra nước va.Chỉ sau khi van kim đã đóng xong, cơ cấu cắt dòng mới trở về vị trí ban đầu. Tất nhiên cơ cấu cắt dòng chỉ có ở các tuốc bin gáo có bộ phận điều chỉnh tự động vì chỉ có ở những trường hợp đó van kim mới đóng nhanh được. 2.2.5. Tác động xung lực của tia nước lên gáo. Trong tác động xung lực, quá trình chuyển động của tia nước từ khi đi vào gáo cho đến khi ra khỏi gáo xảy ra hoàn toàn trong môi trường có áp lực không đổi và bằng áp lực khí trời. Dưới đây là phần khảo sát (hình 2.2.5) Giả thiết chất lỏng tác dụng vào bề mặt gáo là lý tưởng, không có tổn thất ma sát do không có độ nhớt. Nước từ vòi phun chảy vào bánh xe công tác theo các tia tròn. Sau khi ra khỏi miệng phun, toàn bộ năng lượng dòng tia trừ đi tổn thất vòi phun đều biến thành động năng với vận tốc
. Khi đi đến gáo, tia nước bị tách làm hai phần bằng nhau nhờ dao phân chia của gáo. Tiếp đó cả hai phần tia chảy vào hai nữa gáo dạng cong elip. Dòng nước rời khỏi gáo với vận tốc tuyệt đối c2 rất nhỏ, còn vận tốc tương đối w2 thì gần như ngược chiều với w1 (
)
Hình 2.2.5. Dòng chảy trong tuốc bin gáo. Nếu bỏ qua tổn thất ma sát giữa nước với gáo thì w1= w2. Dòng tia đã trao gần như là toàn bộ động năng của nó cho bánh xe công tác. Dao phân chia của gáo rất sắc nên góc (1 rất nhỏ, và xem như bằng 0 và lúc đó tam giác vận tốc ở mép vào sẽ kéo dài thành đường thẳng, khi đó: w1 = c1- u1 = c – u (2.8) Trong đó: u: vận tốc vòng của gáo. c: vận tốc tuyệt đối của tia nước. c = c1; w2 = w1 Theo định luật biến thiên động lượng trong thời gian dt ta có phản lực R của gáo theo phương x tác dụng lên tia nước:

(2.9) Trong đó: w1, w2: vận tốc tương đối của tia nước khi vào và ra khỏi gáo.
khối lượng riêng của nước Tác động xung kích của tia nước lên mặt gáo xảy ra trong môi trường áp lực không thay đổi sẽ có giá trị tuyệt đối của vận tốc tuyệt đối, vận tốc tương đối và vận tốc theo như nhau tại mép vào và mép ra của gáo. Từ đây ta có thể viết lại phương như sau:
Theo định luật thứ ba của Niuton, lực của chất lỏng tác dụng lên gáo là:
(2.10) Chia tiết diện tia nước ra thành các phần nhỏ có chiều rộng b và chiều dày dr. Phương trình lực của phần tia tác dụng lên gáo là :
(2.11) Áp lực toàn bộ tia nước:
(2.12) Với: ui = (.Ri Ri = R - ro.cos( dr = ro.sin(.d( b = 2ro.sin( dQ = c.b.dr = 2c.ro2sin2(.d( ui = R.( - ro(.cos( Trong đó: ro: bán kính tia nước khi ra khỏi vòi phun R: bán kính bánh xe công tác
Hình 2.2.6. Sơ đồ tính lực tác động lên gáo. Do đó:
(2.13) Nhưng:
Và
Ta có:
(2.14) Mặt khác ta lại có:
Với: So: tiết diện tia nước Do đó:
(2.15) Công do lực
gây ra trên trục tuốc bin khi bánh xe công tác quay với vận ui là:
(2.16)
(2.17) Ta có:
( ro2 c = Q R.( = u Do đó:
(2.18) Hiệu suất của tuốc bin gáo:

(2.19) Nếu
và ký hiệu ( = u/c thay vào phương trình trên:
(2.20) 2.2.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất. Từ phương trình (2.20) hiệu suất của tuốc bin gáo phụ thuộc vào các thông số sau nếu ta bỏ qua tổn thất thủy lực chảy lượn bao quanh bánh xe công tác: - Góc tạo bởi vận tốc vòng u và vận tốc tương đối w là (2 - Hệ số vận tốc
- Hệ số vận tốc của vòi phun
* Sự ảnh hưởng của (2: Tác động xung lực của tia nước lên gáo giống như trường hợp tia nước tác dụng vào bản cong chuyển động và người ta đã chứng minh được: Hiệu suất của bản cong:

(2.21) Lấy đạo hàm riêng phương trình (2.21) theo u và cho bằng 0 ta được:
(2.22)
uopt =
. Khi đó hiệu suất lớn nhất là:
Nếu (2 = 1800 thì
=
Như vậy trong trong trường hợp này
< 1 rất nhiều. Điều đó có nghĩa là một phần năng lượng khá lớn của dòng nước tác dụng vào gáo đã bị tổn thất đi. Để nhận được toàn bộ năng lượng của dòng nước thì uopt =
. Khi đó:
. Nếu (2 = 1800 thì
=
Nhưng thực tế thì (2 = 175 0
176 0. Vì thế
<1. * Sự ảnh hưởng của
: Vận tốc quay lợi nhất sẽ ứng với hiệu suất lớn nhất. Muốn vậy ta lấy đạo hàm (TL của phương trình (2.20) theo u và cho bằng không ta được:


Hệ số
được xác định:
(2.23) Từ đây rõ ràng ta thấy
< 0,5. Thực tế khi tuốc bin làm việc, tia nước tác dụng vào gáo sẽ bao trùm bề mặt gáo nên bán kính tia nước rog ở tại bề mặt tiếp xúc với gáo lớn hơn bán kính của tia nước ro khi ra khỏi vòi phun. Do đó hệ số
càng nhỏ hơn 0,5 nữa nên hiệu suất sẽ càng thấp. Theo thí nghiệm, phụ thuộc vào kiểu kết cấu tuốc bin, vào cột nước mà
. * Sự ảnh hưởng của
: Hệ số vận tốc ( phụ thuộc vào lưu lượng vào tuốc bin, tức là phụ thuộc vào tỷ số
(d: đường kính miệng vòi phun, do: đường kính tia nước) và phụ thuộc vào khoảng cách từ vòi phun đến bánh xe công tác. Vì do < d cho nên hệ số vận tốc ( < 1. Trong trường hợp tốt nhất thì ( = 0,95 ( 0,98. Từ các điều kiện tổn thất trên ta chọn sơ bộ hiệu suất của tuốc bin cần thiết kế là
Ngoài ra hiệu suất của tuốc bin còn phụ thuộc vào sự thay đổi phụ tải bên ngoài. Như ta đã biết tấn số của máy điện phát ra được tính theo công thức:
Khi ta chọn máy phát thì số đôi cực của máy phát
và tần số
của lưới điện cố định không thay đổi được. Công suất của tuốc bin và máy phát phát ra được xác định như sau:

Khi phụ tải bên ngoài thay đổi thì công suất phát ra của máy phát và của tuốc bin sẽ thay đổi theo ( tăng hoặc giảm theo phụ tải) làm cho hiệu suất của tuốc bin sẽ thay đổi. Mặt khác khi công suất của tuốc bin thay đổi thì số vòng quay của tuốc bin thay đổi theo dẫn đến số vòng quay của máy phát cũng sẽ thay đổi theo. Khi số vòng quay của máy phát mà thay đổi thì tần số của dòng điện cũng sẽ thay đổi mà điều này thì không cho phép. 2.3. Tính toán các thông số cơ bản của tuốc bin gáo. 2.3.1. Công suất thủy lực của tuốc bin. Công suất thủy lực của tuốc bin được tính như sau: