Đề tài Thiết kế tuốc bin tâm trục và hệ thống thủy lực điều khiển quay cánh bánh hướng dòng

LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, ngành năng lượng học đang phát triển mạnh mẽ. Người ta tích cực tìm kiếm những nguồn năng lượng mới như năng lượng mặt trời, gió, thủy triều,...nhằm thay thế các nguồn năng lượng truyền thống như than, khí đốt, dầu đang ngày càng cạn kiệt để sử dụng cho các ngành kinh tế. Yêu cầu thực tế đòi hỏi ngành thuỷ lực và máy thuỷ lực phải phát triển mạnh mẽ, hòa nhập cùng với tốc độ phát triển của sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, đáp ứng nhu cầu về điện năng nhằm phục vụ cho công nghiệp, đời sống và sinh hoạt của xã hội. Để phục vụ cho nhu cầu đó và để khai thác năng lượng của dòng nước chảy tự do trên sông suối, người ta dùng các loại động cơ thủy lực và một trong các động cơ thủy lực đó là tuốc bin nước. Tuốc bin nước là một thiết bị động lực biến đổi năng lượng của dòng chảy thành cơ năng để quay máy phát điện và máy công cụ, trong đó tuốc bin tâm trục được sử dụng rộng rãi và có nhiều ưu điểm so với các loại tuốc bin khác. Với ý nghĩa đó, em được nhận đề tài tốt nghiệp là Thiết kế tuốc bin tâm trục và hệ thống thủy lực điều khiển quay cánh bánh hướng dòng. Với những kiến thức do các thầy, cô truyền đạt kết hợp với việc sưu tầm tìm hiểu tài liệu có liên quan và đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy Ts. Huỳnh Văn Hoàng, đến nay em đã hoàn thành đồ án được giao. Do kiến thức còn hạn chế, đề tài mới mẻ, kinh nghiệm thực tế còn ít và điều kiện thời gian không cho phép nên đồ án tốt nghiệp của em không tránh khỏi những sai sót, kính mong được thầy, cô chỉ bảo để đồ án của em hoàn thiện tốt hơn. Cuối cùng em xin gửi đến thầy giáo hướng dẫn và các thầy cô giáo trong bộ môn sự biết ơn chân thành. Đà nẵng, ngày tháng năm 2008 Sinh viên thực hiện Nguyễn Chí Linh MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................1 MỤC LỤC......................................................................................................................2 1. Mục đích, ý nghĩa kinh tế kỹ thuật của đề tài........................ ........... ..........................6 1.1. Khái niệm về tuốc bin tâm trục...................................................... .........................6 1.2. Mục đích, ý nghĩa kinh tế kỹ thuật..........................................................................7 2. Thiết kế các bộ phận cơ bản của tuốc bin tâm trục.....................................................9 2.1. Khái niệm cơ bản.....................................................................................................9 2.1.1. Các điều kiện tương tự........................................................................................10 2.1.1.1. Tương tự về hình học.......................................................................................10 2.1.1.2. Tương tự về động học......................................................................................11 2.1.1.3. Tương tự về động lực học................................................................................11 2.1.2. Các quan hệ tương tự trong tuốc bin..................................................................11 2.1.3. Các đại lượng quy dẫn........................................................................................12 2.1.3.1. Lưu lượng quy dẫn...........................................................................................12 2.1.3.2. Tốc độ quy dẫn................................................................................................12 2.1.3.3. Vòng quay đặc trưng........................................................................................12 2.2. Tính các thông số cơ bản của tuốc bin thiết kế dựa vào đường đặc tính tổng hợp chính của tuốc bin mô hình...........................................................................................13 2.2.1. Chọn kiểu tuốc bin mô hình................................................................................13 2.2.2. Đường đặc tính tổng hợp chính của tuốc bin mô hình........................................14 2.3. Tính chọn máy phát điện.......................................................................................14 2.4. Thiết kế bánh xe công tác......................................................................................17 2.4.1. Đặc điểm cấu tạo và nhiệm vụ của bánh xe công tác.........................................17 2.4.2. Quá trình làm việc của tuốc bin..........................................................................18 2.4.3. Các trạng thái của dòng chảy trong bánh xe công tác........................................22 2.4.3.1. Chảy vào không va..........................................................................................22 2.4.3.2. Chảy ra thẳng góc............................................................................................23 2.4.4. Các kích thước cơ bản của bánh xe công tác......................................................23 2.5. Thiết kế buồng xoắn..............................................................................................26 2.5.1. Đặc điểm, nhiệm vụ và yêu cầu..........................................................................26 2.5.2. Phân loại.............................................................................................................27 2.5.3. Các thông số cơ bản của buồng xoắn.................................................................27 2.5.3.1. Góc bao max và diện tích tiết diện vào............................................................27 2.5.3.2. Vận tốc và hình dạng tiết diện vào của buồng xoắn........................................28 2.5.4. Chọn kiểu buồng tuốc bin...................................................................................28 2.5.5. Tính toán thủy động buồng xoắn........................................................................29 2.6. Thiết kế ống hút.....................................................................................................36 2.6.1. Vai trò và nhiệm vụ của ống hút.........................................................................36 2.6.2. Các kiểu ống hút và phương pháp chọn..............................................................37 2.6.2.1. Nguyên tắc chọn ống hút.................................................................................37 2.6.2.2. Các kiểu ống hút..............................................................................................38 2.6.2.3. Các thông số cơ bản của ống hút cong............................................................39 2.7. Thiết kế bộ phận hướng dòng................................................................................42 2.7.1. Đặc điểm và nhiệm vụ của bộ phận hướng dòng................................................42 2.7.2. Quá trình điều chỉnh lưu lượng của tuốc bin......................................................43 3. Thiết kế trục và gối đỡ trục.......................................................................................46 3.1. Thiết kế trục...........................................................................................................46 3.1.1. Chọn vật liệu chế tạo trục...................................................................................47 3.1.2. Các lực tác dụng lên trục....................................................................................47 3.1.2.1. Tính sơ bộ........................................................................................................47 3.1.2.2. Lực dọc trục tác dụng lên ổ trục chặn của tổ máy...........................................48 3.1.2.3. Lực vòng do mômen xoắn gây ra....................................................................49 3.1.3. Tính sức bền trục................................................................................................50 3.1.3.1. Chiều dài sơ bộ của trục..................................................................................50 3.1.3.2. Tính toán lực tác dụng lên trục và kiểm tra bền trục.......................................51 3.2. Ổ đỡ.......................................................................................................................55 3.2.1. Công dụng...........................................................................................................55 3.2.2. Vấn đề ma sát và bôi trơn trong ổ trượt .............................................................56 3.2.3. Chọn vật liệu lót ổ...............................................................................................56 3.2.4. Cấu tạo ổ trượt....................................................................................................57 4. Thiết kế hệ thống thủy lực điều khiển quay cánh bánh hướng dòng........................57 4.1. Nhiệm vụ...............................................................................................................57 4.2. Cấu tạo và đặc điểm của hệ thống điều chỉnh lưu lượng tuốc bin.........................59 4.3. Nguyên lý điều chỉnh lưu lượng tuốc bin..............................................................60 4.3.1. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động trực tiếp...............................................61 4.3.2. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp...............................................62 4.3.2.1 Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phục hồi cứng..............................................................................................................................62 4.3.2.2. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phục hồi mềm..............................................................................................................................64 4.4. Thiết bị dầu áp lực.................................................................................................65 4.5. Tính thiết bị điều chỉnh tốc độ...............................................................................66 4.5.1. Khái quát về thiết bị điều tốc..............................................................................66 4.5.2. Động cơ tiếp lực..................................................................................................67 4.5.3. Tính toán lực và mômen thủy động tác dụng lên cánh.......................................68 4.5.4. Tính lực cần thiết để quay vành điều chỉnh........................................................70 4.6. Tính chọn máy điều tốc.........................................................................................75 4.7. Tính chọn thiết bị dầu áp lực.................................................................................76 4.8. Sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc hoạt động.............................................................76 4.8.1. Sơ đồ nguyên lý..................................................................................................76 4.8.2. Nguyên tắc hoạt động.........................................................................................77 5. Lắp ráp, vận hành và bảo dưỡng tuốc bin.................................................................78 5.1. Lắp ráp...................................................................................................................78 5.1.1. Kiểm tra thiết bị..................................................................................................79 5.1.2. Lắp thiết bị..........................................................................................................79 5.1.3. Những điểm cần lưu ý khi lắp ráp......................................................................81 5.1.4. Chạy thử..............................................................................................................81 5.1.4.1. Chuẩn bị trước khi chạy thử............................................................................82 5.1.4.2. Chạy thử...........................................................................................................82 5.2. Vận hành................................................................................................................83 5.2.1. Chạy máy............................................................................................................83 5.2.2. Theo dõi máy đang chạy.....................................................................................83 5.2.3. Dừng máy...........................................................................................................83 5.2.4. Xử lý sự cố..........................................................................................................83 5.3. Bảo dưỡng..............................................................................................................84 5.3.1 Bảo dưỡng thường kỳ..........................................................................................84 5.3.2. Thay thế phụ tùng mau mòn chóng hỏng...........................................................85 5.3.3. Đại tu tuốc bin....................................................................................................85 5.3.3.1. Gối trục............................................................................................................85 5.3.3.2. Đại tu bộ cánh hướng.......................................................................................85 5.3.3.3. Bánh xe công tác..............................................................................................85 KẾT LUẬN..................................................................................................................86 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................87 CÁC BẢN VẼ THIẾT KẾ...........................................................................................88 1.MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐỀ TÀI Khái niệm về tuốc bin tâm trục Tuốc bin tâm trục cùng với tuốc bin cánh quay, cánh chéo, cánh kép và capsun là những kiểu tuốc bin thuộc loại tuốc bin phản lực. Nhìn chung, các tuốc bin này sử dụng phần thế năng và một phần động năng của dòng nước, bánh xe công tác của tuốc bin phản kích làm việc trong môi trường chất lỏng liên tục và áp lực nước ở phía trước bánh xe công tác thường lớn hơn phía sau của nó (hình 1-1). Hình 1-1 Biểu đồ tác động của dòng nước trong tuốc bin phản lực Tuốc bin tâm trục có chiều dòng nước lúc chảy vào bánh xe công tác là hướng tâm (thẳng góc với trục quay) còn chảy ra khỏi bánh xe công tác thì theo hướng trục (còn gọi là tuốc bin Francis). Phạm vi sử dụng cột nước của tuốc bin này từ 30
550m. Hiện nay tuốc bin tâm trục lớn nhất được lắp ở trạm thủy điện Kraxnôia (nước Nga) có công suất 508000 kW và đường kính D1 = 7,5m do nhà máy cơ khí Lêningrát chế tạo. Xét về mặt cấu tạo, tuốc bin tâm trục bao gồm các bộ phận chính sau (hình 1-2): Hình 1.2. Tuốc bin tâm trục trục đứng 1.2. Mục đích, ý nghĩa kinh tế kỹ thuật Tuốc bin nước là một loại động cơ biến đổi năng lượng dòng nước (thủy năng) thành cơ năng làm quay máy phát điện. Nền kinh tế đất nước ta hiện nay nói chung, các ngành công nghiệp nói riêng đang phát triển mạnh mẽ và có những bước tiến quan trọng. Đồng thời với sự phát triển về nền kinh tế, nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng cao. 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 lớn, vừa và nhỏ là biện pháp cơ bản để tăng sản lượng điện năng. Thuỷ điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước. Đa số năng lượng thuỷ điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một tuốc bin nước và máy phát điện. Kiểu ít được biết đến hơn là sử dụng năng lượng động lực của nước hay các nguồn nước không bị tích bằng các đập nước như năng lượng thuỷ triều. Thuỷ điện là nguồn năng lượng có thể hồi phục. Nguồn thủy năng nước ta rất phong phú, việc khai thác nó có vị trí quan trọng trong công cuộc công nghiệp hóa ở nước ta. Việc dùng thủy năng có những ưu điểm chính sau đây: + 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 hoá thạch như dầu mỏ, khí gas 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. + Hiệu ích sử dụng năng lượng cao. Hiệu suất tuốc bin cỡ lớn có thể đạt tới 93
95%, hiệu suất của tổ máy lớn hơn 90% trong khi đó hiệu suất của tuốc bin khí trạm nhiệt điện tốt nhất cũng không quá 40%. + Nguồn thủy năng là vô tận, luôn được bổ sung nhờ vào sự bốc hơi của nước biển và đại dương. + Lượng điện tự dùng của trạm thủy điện chỉ chiếm từ 0,3
0,5% tổng lượng điện phát ra, còn đối với trạm nhiệt điện thì có thể lên tới 8
10%. + Trình độ tự động hóa của trạm thủy điện cao, tổ máy thủy lực làm việc an toàn ít bị hư hỏng, bảo đảm cấp điện liên tục và an toàn cho lưới điện. + Khả năng lợi dụng tổng hợp nguồn nước cao. Tuy vậy, việc sử dụng thủy năng cũng có những nhược điểm là lượng điện phát ra của nhà máy phụ thuộc vào sự phân bố dòng chảy theo thời gian, hơn nữa nhà máy thường xây dựng ở những nơi cách xa các trung tâm công nghiệp nên đường dây truyền tải điện dài; mặt khác vốn đầu tư xây dựng trạm thủy điện lớn, thời gian thi công dài. Tuốc bin nước là loại máy thủy lực đầu tiên mà loài người sử dụng nguồn năng lượng thiên nhiên phục vụ đời sống và sản xuất, là bộ phận không thể thiếu được trong các trạm thủy điện. Do đó việc thiết kế chế tạo tuốc bin nước đóng vai trò rất quan trọng trong ngành chế tạo máy nói chung và máy thủy lực nói riêng. Em được giao đề tài “Thiết kế tuốc bin tâm trục và hệ thống thủy lực điều khiển quay cánh bánh hướng dòng” với các số liệu cho trước: + Lưu lượng tính toán Q = 0,85 (m3/s) + Cột áp tính toán H = 102 (m) Thiết kế của em dựa trên tuốc bin mô hình đồng dạng. 2. THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CỦA TUỐC BIN TÂM TRỤC Số liệu cho ban đầu để thiết kế: Cột áp H = 102 (m) Lưu lượng Q = 0,85 (m3/s) 2.1.Khái niệm cơ bản Thiết kế tuốc bin cũng như bất kỳ một loại máy năng lượng nào, nói chung đều phải đạt được những yêu cầu nhất định như có đủ độ bền cơ học, kết cấu hợp lý, hiệu suất cao, bền chắc và dễ gia công. Riêng đối với tuốc bin, cần đảm bảo những yêu cầu cơ bản sau đây: + Trong mọi chế độ làm việc đều phải bảo đảm chỉ tiêu năng lượng và khí thực cao, nói cách khác máy phải có hiệu suất cao còn hệ số khí thực bé. + Với cột nước làm việc đã cho, tuốc bin phải phát đủ công suất yêu cầu còn kích thước và trọng lượng của nó phải nhỏ. + Tuốc bin phải có kết cấu hợp lý, gọn nhẹ để dễ bố trí các thiết bị của chúng trong nhà máy. + Máy làm việc tin cậy và tuổi thọ dài. Những vấn đề này hiện nay thường giải quyết bằng con đường tính toán thủy lực và tính toán độ bền các chi tiết máy kết hợp nghiên cứu bằng thực nghiệm các mô hình. Muốn tiến hành nghiên cứu quá trình làm việc của các mô hình ta cần tuân thủ những quy luật nhất định. Các quy luật đó gọi là các điều kiện tương tự về cấu trúc dòng chảy trong tuốc bin. Nghiên cứu và thiết kế tuốc bin không thể thực hiện được nếu không dựa vào thực nghiệm. Mặt khác tuốc bin nước là loại có kích thước tương đối lớn. Vì vậy khi nghiên cứu thiết kế thường tiến hành bằng thực nghiệm với các mô hình tuốc bin. Để đảm bảo độ tin cậy giữa kết quả nghiên cứu trên mô hình và trên tuốc bin thực ta cần có các điều kiện, các tiêu chuẩn về quan hệ tương tự giữa mô hình và nguyên hình. 2.1.1.Các điều kiện tương tự Hai mô hình thủy lực được coi là hoàn toàn tương tự về cơ học khi chúng thỏa mãn ba điều kiện sau đây: 2.1.1.1. Tương tự về hình học Điều kiện này đòi hỏi sự tương tự về hình dạng ngoài của các phần nước qua của tuốc bin. Hai tuốc bin thực (T) và mẫu (M) được coi là tương tự về hình học khi: toàn bộ các kích thước dài, bề mặt các phần nước qua tại các điểm tương ứng của chúng tuân theo một tỉ lệ:
Phải đảm bảo độ mở a0 của bộ phận hướng nước và góc đặt  của cánh bánh xe công tác tương tự:
2.1.1.2. Tương tự về động học Hai tuốc bin (T) và (M) được gọi là tương tự về động học khi: tương tự về trường vận tốc dòng chảy tại các điểm tương ứng trong các phần nước qua của các tuốc bin cùng kiểu. Điều này có nghĩa là hình tam giác vận tốc tại các điểm tương ứng của dòng chảy phải đồng dạng với nhau.
2.1.1.3. Tương tự về động lực học Điều kiện này đòi hỏi sự tương tự về lực tác dụng lên hai tuốc bin thực (T) và mô hình (M) là khi các tỉ số lực cùng tên tác dụng lên các phần tương ứng của tuốc bin thực và mô hình phải bằng nhau
2.1.2. Các quan hệ tương tự trong tuốc bin Quan hệ lưu lượng:
Quan hệ số vòng quay:
Quan hệ cột áp tuốc bin:
Quan hệ công suất:
2.1.3. Các đại lượng quy dẫn Lưu lượng quy dẫn Lưu lượng quy dẫn là lưu lượng của tuốc bin quy về điều kiện D = 1(m), H = 1(m), lưu lượng quy dẫn được xác định theo công thức :
(2.1.1) Trong đó: + Q: Lưu lượng tính toán (m3/s) + H: Cột áp tính toán (m) +D1: Đường kính tại mép vào bánh xe công tác (m). Tốc độ quy dẫn: Tốc độ quy dẫn của tuốc bin là tốc độ quy về điều kiện H = 1 (m), D = 1 (m) và được xác định theo công thức :
(2.1.2) Trong đó: + n: Số vòng quay của trục tuốc bin (vg/ph). Vòng quay đặc trưng: Vòng quay đặc trưng là số vòng quay của tuốc bin mô hình đồng dạng hình học làm việc với cột nước H = 1(m), phát ra công suất N = 1(KW). Vòng qauy đặc trưng được xác định theo công thức :
(2.1.3) Trong đó: + n: Số vòng quay của trục tuốc bin (vg/ph) + N: Công suất trục tuốc bin (KW) + H: cột áp tính toán (m). 2.2. Tính các thông số cơ bản của tuốc bin thiết kế dựa vào đường đặc tính tổng hợp chính của tuốc bin mô hình. 2.2.1. Chọn kiểu tuốc bin mô hình: Hình 2-1 Biểu đồ phạm vi sử dụng của các kiểu tuốc bin Dựa vào cột nước H = 102m tra ở hình 2-1 được kiểu tuốc bin PO 115/697 Trong đó: PO: Tâm trục 115: Cột nước lớn nhất của kiểu bánh xe công tác 697: Số hiệu mẫu thí nghiệm 2.2.2. Đường đặc tính tổng hợp chính tuốc bin mô hình: Tại vùng hiệu suất  = 84%, chọn: Lưu lượng quy dẫn:
Số vòng quay quy dẫn:
50 (vg/ph) Từ (2.1.1) ta tính được đường kính bánh xe công tác D1:
(m) Trong đó: Q: Lưu lượng tính toán, Q = 850 (l/s) QI’: Lưu lượng quy dẫn, QI’ = 750 (l/s) H: Cột áp, H = 102 (m) Vậy:
Từ (2.1.2) ta tính được số vòng quay của trục tuốc bin:
Trong đó:
: Số vòng quay quy dẫn,
= 50 (vg/ph) D1: Đường kính tại cửa vào của bánh xe công tác, D1 = 0,33 (m) Vậy: Tuốc bin có số vòng quay là:
(vg/ph). Chọn n = 1500 (vg/ph). Hình 2-2 Đường đặc tính tổng hợp chính của tuốc bin PO 115/697 Tính chọn máy phát điện Công suất trên trục tuốc bin được tính : NT =.g.Q.H.W) Trong đó: : Khối lượng riêng của nước,  = 1000 (kg/m3) g: Gia tốc trọng trường, g = 9,81(m/s2) NT: công suất trên trục tuốc bin (W) Q: lưu lượng tính toán, Q = 0,85 (m3/s) H: cột áp tính toán, H = 120 (m) : Hiệu suất tuốc bin, chọn  = 0,84 Vậy Công suất trên trục tuốc bin là: NT = 1000.9,81.0,85.102.0,84 = 714,44.103 (W) = 714,44 (KW) Công suất máy phát điện được tính: N = NT.mf Hình 2-3 Các kích thước chính của máy phát điện trục đứng