Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình học của bánh công tác đến đặc tính làm việc của máy thuận nghịch bơm – Tuabin NS thấp

, tiếp tuyến ở hai đầu cung chỉ xấp xỉ gần với góc vào và ra. Qua đó đánh giá hiệu suất bơm và tuabin trong hai phương án. 2.2.2.3 Quy trình thiết kế bánh công tác thuận nghịch bơm tuabin Quy trình thiết kế các thông số và biên dạng cánh BCT được cho dưới hình 2.12. Bước 1: Ở bước ban đầu (khối màu xanh), mục đích là để thiết kế được các thông số hình học của mặt cắt kinh tuyến, quy trình cụ thể như sau: - Lựa chọn thông số làm việc của máy PaT cho cả hai chế độ bơm và tuabin bao gồm lưu lượng Q, cột nước H và số vòng quay n. - Tính toán ns. - Lựa chọn mô hình bánh công tác PaT: Luận án lấy theo mô hình tương tự cho máy PaT đã được nghiên cứu cho NMTĐTN Phù Yên Đông [36]. - Xây dựng mặt cắt kinh tuyến và đường dòng trong mặt cắt kinh tuyến dựa trên việc khảo sát các thông số hình học đã được lựa chọn. Bước 2: Bước tiếp theo (khối màu đỏ) với mục tiêu xây dựng được biên dạng cánh từ các thông số hình học đã khảo sát và thiết kế trong bước 1. - Xây dựng biên dạng cánh 55 • Thiết lập đường nhân cánh theo điều kiện cánh cong đối xứng về hai phía mép 1 và mép 2 bằng cách thiết lập phương trình góc đặt cánh (phương trình (2-81)). • Đắp độ dày cánh theo quy luật độ dày lớn nhất ở vị trí chính giữa (Lj/L= 0,5), sau đó giảm dần đều về hai phía. • Vẽ và xây dựng cánh - Giải bài toán thuận kiểm tra hiệu suất bánh công tác bơm và tuabin. Trường hợp không đạt, quay trở lại thay đổi thông kết cấu theo các phương án lựa chọn. Quá trình tính toán thiết kế lặp lại tới bước giải bài toán thuận kiểm tra hiệu suất bơm và tuabin đến khi đạt kết quả tốt thì thôi. - Kết thúc: Ghi lại kết quả tính toán các phương án, xây dựng biểu đồ phụ thuộc của hiệu suất bơm và tuabin vào các thông số kết cấu thay đổi. Từ đó lựa chọn được phương án hợp lý nhất. Hình 2.12 Quy trình thiết kế BCT thuận nghịch PaT ( khối thiết kế các thông số mặt cắt cửa vào, cửa ra và kinh tuyến, khối thiết kế biên dạng cánh) 56 2.3 Thiết kế mặt cắt kinh tuyến - Phân tích ảnh hưởng của một số thông số hình học chính đến chất lượng thủy lực của vận hành chế độ bơm và tuabin Mục này sẽ phân tích ảnh hưởng của một số thông số hình học chính đến đặc tính làm việc của bơm và tuabin, áp dụng cho một mô hình cụ thể. Các kết quả này sẽ là cơ sở đầu vào cho quá trình thiết kế mẫu cánh được trình bày chi tiết trong mục 2.4. 2.3.1 Xác định các thông số đầu vào Công trình thuỷ điện tích năng Phù Yên Đông thuộc địa phận huyện Phù Yên, tỉnh Sơn La là một trong những công trình thủy điện trọng điểm quốc gia nhằm cân bằng và đảm bảo yêu cầu phủ đỉnh cho hệ thống điện trong tương lai. Theo quy hoạch điện VII, công trình được tính toán thiết kế với phương án công suất lắp máy là 1200MW. Trong nghiên cứu này, các thông số ban đầu được lấy theo các thông số của mô hình tương tự cho Trạm thủy điện tích năng Phù Yên Đông gồm với số vòng quay đồng bộ n=600 vòng/phút, lưu lượng thiết kế bơm (Q) là 220m3/h (0,067m3/s) và cột nước bơm (H) là 9m. Khi đó số vòng quay đặc trưng bơm là: 104 9 067,0.600.65,365,3 4 3 4 3 === H Qn nPs Trong mô hình thuận nghịch PaT, số vòng quay đồng bộ n thông thường là giống nhau trong cả hai mô hình. 2.3.2 Mục tiêu và các giả thiết thiết kế ( ) %3 %3 max,,,,, 2 2,12,1 11 − − =             + =  == Tave Pave jjj m i iPiP n i iTiT ave eZDf kk      (2-82) Việc đánh giá vùng làm việc của bơm và tuabin thường được xác định bằng trực quan, và do đó sẽ mang tính chủ quan của con người. Trong một vài trường hợp thì việc đánh giá này là khá dễ dàng và có thể chấp nhận được nhưng trong nhiều trường hợp, vì các phương án thông số thường không chênh nhau nhiều, các vùng làm việc của các phương án khác gần nhau nên việc đánh giá này sẽ không khách quan và khó chính xác. Nghiên cứu này đưa ra mục tiêu là hiệu suất trung bình ηave của hai mô hình là lớn nhất như phương trình (2-82) để lựa chọn các thông số chính của BCT PaT. 57 Trong phương trình (2-82), kiP và kiT là hệ số tỷ trọng của các điểm làm việc thứ i trong vùng làm việc của mô hình bơm và tuabin. Các hệ số này được xác định phụ thuộc vào quy trình vận hành theo từng chế độ bơm và tuabin trong mô hình thuận nghịch và được xác định thông qua số giờ làm việc, giá điện và dải vận hành Q. Trong nghiên cứu này, do mô hình được áp dụng cho công trình thực tế nhưng chưa được vận hành nên các tài liệu về quy trình vận hành là chưa có. Do vậy, trong nghiên cứu này, tỷ trọng làm việc của hai mô hình bơm và tuabin được chọn sơ bộ là như nhau. 2.3.3 Ảnh hưởng của đường kính D1, D2 Hình 2.13 Ảnh hưởng của D2 đến đến hiệu suất, công suất và cột nước của chế độ bơm và tuabin tại điểm thiết kế Về mặt thủy lực, đường kính D1 có ảnh hưởng chủ yếu đến tổn thất dòng quẩn tại mép vào bánh công tác của mô hình bơm. Breugelmans [40] đã phân tích và cho thấy khả năng xảy ra xâm thực trên mặt hút của BCT do dòng quẩn gây ra bằng mô phỏng số CFD. Qua đó, nghiên cứu cũng đã đề xuất một số những hiệu chỉnh về mặt hình học BCT tại mép vào bao gồm mở rộng vùng mắt thắt và tăng tỷ lệ D0/D1. Trong khi đó, đường kính D2 có ảnh hưởng nhiều nhất đến cột nước lý thuyết và tổn thất ma sát đĩa trong cả hai mô hình Djebedjian [41]. Khi giảm D2, cột nước lý thuyết và tổn thất cùng giảm. So với thiết kế tuabin độc lập thì giá trị đường kính mép vào D2 và số vòng quay đồng bộ của tuabin vận hành trong mô hình PaT được lấy thiên lớn, điều này làm thay đổi vị trí làm việc của máy. Khi D2 và n được chọn thiên lớn thì vùng làm việc bị đẩy vào trong theo xu hướng lên trên. -5 0 5 10 15 20 25 30 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 0.26 0.30 0.34 0.38 0.42 0.46 0.50 0.54 0.58 H (m ); P (k W ) η (% ) D2 (m) ηP (%) ηT (%) HP(m) PP(kW) HT(m) PT(kW) ηP(% T( ) HP(m) PT(kW) HT(m)P(kW) Vùng chọn 58 a) Chế độ bơm b) Chế độ tuabin Hình 2.14 Ảnh hưởng của của D2 trong vận hành chế độ bơm và tuabin Hình 2.13 cho thấy ảnh hưởng của đường kính BCT D2 đến hiệu suất của chế độ bơm và tuabin tại điểm BEP với các thông số khác không đổi (Z=10; D1=0,23m; b1= 0,054m; b2=0,04m; 1B=25o; 2B=30o; e1=e2=3mm). Như có thể thấy trên hình 2.13, vùng hiệu suất lớn nhất của chế độ bơm xảy ra khi D2 trong khoảng từ 0,42m đến 0,5m, trong khi với chế độ tuabin là từ 0,36m đến 0,42m. Hình 2.14 cho thấy ảnh hưởng của đường kính BCT D2 đến đường cong hiệu suất bơm và tuabin của năm phương án D2 bao gồm 0,33m; 0,4m; 0,45m; 0,5 và 0,56m. Nhìn chung, khi D2 tăng, lưu lượng tại điểm BEP cho cả hai chế độ đều tăng, hình dáng của các đường cong η(Q) trở nên dốc hơn trong chế độ tuabin. Từ các kết quả trên cho thấy để BCT làm việc tốt trong cả hai chế độ thì giá trị D2 của mô hình thuận nghịch PaT nên nằm trong vùng giao thoa của hai vùng tối ưu trên. Khi đó D2 trong khoảng 0,4 đến 0,44m thì hiệu suất trung bình PaT là tốt nhất. 2.3.4 Ảnh hưởng góc tới δ và góc đặt cánh β1B Hình 2.15 cho thấy ảnh hưởng của góc đặt cánh 1B đến hiệu suất, công suất và cột nước của chế độ bơm và tuabin tại điểm thiết kế với các thông số khác không đổi (Z=10; D1=0,23m; D2=0,42m; b1= 0,054m; b2=0,04m; 2B=30o; e1=e2=3mm). Như có thể thấy, xu thế ảnh hưởng của 1B trong cả hai chế độ là tương đối giống nhau. Trong vùng giá trị của 1B từ 24o đến 29o, hiệu suất của bơm và tuabin đều là tốt nhất. Khi tăng giá trị 1B, giá trị cột nước đều có xu thế giảm trong khi công suất trục không thay đổi nhiều. Khi 1B tiếp tục lấy quá lớn hoặc lấy quá nhỏ (1B 35o) thì các đường cong hiệu suất của cả bơm và tuabin sẽ giảm nhanh ngoài vùng thiết kế (hình 2.16). Trong vận hành chế độ tuabin (hình 2.16), góc 1B được hiểu là góc đặt cánh tại cửa ra của BCT. Khi góc đặt cánh 1B tăng từ 15o đến 35o, lưu lượng tại điểm BEP η P (% ) QP (m3/h) QT (m3/h) η T (% ) 59 tăng từ 97% đến 105%; hình dáng của các đường cong η(Q) trở nên dốc hơn. So với chế độ bơm, chế độ tuabin bị ảnh hưởng nhiều hơn, các đường cong hiệu suất thay đổi nhiều về cả giá trị lẫn hình dáng vận hành khi giá trị 1B thay đổi. Hình 2.15 Ảnh hưởng của 1B đến hiệu suất, công suất và cột nước của chế độ bơm và tuabin tại điểm thiết kế a) Chế độ bơm b) Chế độ tuabin Hình 2.16 Ảnh hưởng của của 1B trong vận hành chế độ bơm và tuabin Trong chế độ bơm, giá trị của 1B tuy không ảnh hưởng nhiều đến cột nước lý thuyết nhưng ảnh hưởng rất nhiều đến tổn thất của. Khi 1B được thiết kế quá nhỏ hoặc quá lớn tổn thất va đập đầu cánh và tổn thất xoáy phát triển mạnh, điều này dẫn đến hiệu suất giảm mạnh như (hình 2.16a). Trong vùng lưu lượng nhỏ (nhỏ hơn 85% lưu lượng thiết kế) thì khi 1B thay đổi, các đường cong hiệu suất bơm không thay đổi 0 5 10 15 20 25 30 58 63 68 73 78 83 88 8 11 14 17 20 23 26 29 32 35 38 41 44 H (m ); P (k W ) η (% ) β1B( độ) Vùng chọn QP (m3/h) η P (% ) QT (m3/h) η T (% ) 60 nhiều. Tuy nhiên khi lưu lượng lơn hơn (từ 85% Q thiêt kế) thì một sự thay đổi nhỏ của 1B sẽ làm thay đổi hình dáng của đường cong hiệu suất. Khi 1B càng tăng từ 15o đến 35othì điểm BEP càng tăng 100% đến 120% (có nghĩa điểm cực đại có xu thế dịch sang phải), hình dáng của đường cong η(Q) trở nên phẳng hơn với xu thế tăng về giá trị. Đánh giá về góc đặt cánh tại mép 1 (β1B) cho thấy trong chế độ bơm, β1B ảnh hưởng ít đến cột nước lý thuyết mà ảnh hưởng nhiều đến các thành phần tổn thất. Khi lấy β1B thiên lớn, hiệu suất sẽ tăng do tiết diện lưu thông tăng, độ võng profile giảm, tức là profile cánh suôn hơn nên tổn thất cũng giảm. Như vậy, nếu chọn β1B thiên lớn thì càng có lợi nhưng nếu chọn β1B lớn quá, không hợp lý sẽ gây ra va đập dòng chảy với cánh dẫn ở lối vào của BCT. Trong chế độ nghịch (tuabin), β1B được hiểu là góc đặt cánh tại cửa ra, và có ảnh hưởng nhiều đến cột nước lý thuyết theo phương trình (2-23). Các nghiên cứu của tác giả Hoàng Thị Bích Ngọc [43], Lê Danh Liên [44], Võ Sỹ Huỳnh và Nguyễn Thị Xuân Thu [45] trên các mô hình bơm và tuabin độc lập cho thấy giá trị tối ưu của β1B là xấp xỉ nhau. Yang [46] chỉ ra vùng giá trị tối ưu của β1B nên trong khoảng 20-30o thì hiệu suất trung bình của máy là tốt nhất. 2.3.5 Ảnh hưởng của góc đặt cánh β2B Hình 2.17 Ảnh hưởng của 2B đến hiệu suất, công suất và cột nước của chế độ bơm và tuabin tại điểm thiết kế Trị số góc β2B có ảnh hưởng quyết định tới cột áp toàn phần trong mô hình bơm theo phương trình (2-18). Khi β2B tăng, cột nước lý thuyết tăng vì mặt cắt qua nước sẽ tăng đồng thời công suất cũng tăng do sự tăng của mômen xoắn trục. Như vậy, nếu chọn β2B thiên lớn thì càng có lợi nhưng nếu chọn β2B lớn quá, không thích hợp thì có thể sinh ra hiện tượng tách dòng tạo nên các dòng quẩn, dòng xoáy, khi đó tổn thất 0 5 10 15 20 25 30 58 63 68 73 78 83 88 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 H (m ); P (k W ) η (% ) β2B (độ) Vùng chọn 61 lại càng tăng. Trong vận hành tuabin, β2B không ảnh hưởng đến cột nước lý thuyết mà có xu thế ảnh hưởng đến các thành phần tổn thất tương tự như mô hình bơm. Hình 2.17 cho thấy ảnh hưởng của góc đặt cánh 2B đến hiệu suất, công suất và cột nước của chế độ bơm và tuabin tại điểm thiết kế với các thông số khác không đổi (Z=10; D1=0,23m; D2=0,42m; b1= 0,054m; b2=0,04m; 1B=25o; e1=e2=3mm. Như có thể thấy, vùng hiệu suất lớn nhất của tuabin đạt được khi 2B trong khoảng từ 27ođến 36o, trong khi vùng hiệu suất lớn nhất của bơm đạt được khi 2B trong khoảng từ 32ođến 45o. Và để hài hòa hai chế độ thì trong khoảng từ 30ođến 35o hiệu suất trung bình PaT là tốt nhất. Trong chế độ bơm, tại vùng giá trị thấp của 2B (nhỏ hơn 30o), đường cong P(Q) và H(Q) lao dốc rất nhanh trong khi hình dáng của những đường cong ấy là không thay đổi đáng kể trong chế độ tuabin. Nói cách khác, 2B có ảnh hưởng đến hình dáng đường cong hiệu suất, công suất và cột nước của bơm nhiều hơn là của tuabin. Điều này được hiểu là vì trong chế độ bơm, khi 2B tăng, cột nước lý thuyết tăng nhiều còn trong chế độ tuabin, cột nước lý thuyết bị ảnh hưởng nhiều bởi góc đặt và tiết diện của cánh hướng mà ít phụ thuộc vào góc đặt 2B. Khi 2B tăng, cột nước lý thuyết gần như không đổi trong khi tổn thất lại giảm do cánh suôn hơn. 2.3.6 Ảnh hưởng của số cánh Z Hình 2.18 Ảnh hưởng của số cánh Z đến hiệu suất, công suất và cột nước của chế độ bơm và tuabin tại điểm thiết kế 0 5 10 15 20 25 30 58 63 68 73 78 83 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 H (m ); P (k W ) η (% ) Z ( số cánh) Vùng chọn 62 Ảnh hưởng của số cánh Z trong hai chế độ là như nhau và cùng ảnh hưởng nhiều nhất đến các hiện tượng trượt γ, co hẹp τ và các thành phần tổn thất PaT. Khi số cánh càng nhiều, cột nước lý thuyết sẽ tăng và cũng sẽ giảm được tổn thất kỳ dị liên quan đến hiện tượng tách thành và tạo xoáy nhưng lại làm tăng tổn thất ma sát và cục bộ đáng kể. Hình 2.18 cho thấy ảnh hưởng của góc số cánh Z đến hiệu suất, công suất và cột nước của chế độ bơm và tuabin tại điểm thiết kế với các thông số khác không đổi ( D1=0,23m; D2=0,42m; b1= 0,054m; b2=0,04m; 1B=25o; 1B=30o; e1=e2=3mm. Như có thể thấy, vùng hiệu suất lớn nhất của bơm đạt được khi Z trong khoảng từ 8 đến 12 cánh trong khi vùng hiệu suất lớn nhất của tuabin đạt được khi Z trong khoảng từ 13 đến 17. Và để hài hòa hai chế độ thì trong khoảng từ 9 đến 13 hiệu suất trung bình PaT là tốt nhất. 2.3.7 Đánh giá chung kết quả khảo sát một số thông số mặt cắt cửa vào, cửa ra và mặt cắt kinh tuyến Từ các kết quả khảo sát trên và đánh giá trên, kết hợp với hàm mục tiêu như phương trình (2-82), các dải thông số hợp lý của D2, β1B, β2B và Z cho mô hình thuận nghịch PaT được kiến nghị như bảng 2.3. Bảng 2.3 Các thông số hình học chính của bánh công tác thuận nghịch PaT D1 (m) D2 (m) d * 2=D2/D1 β1B(o) β2B(o) Z 0,23 0,4-0,44 1,74-1,91 24o -29o 30o-35o 9-13 Với cùng các thông số đầu vào, áp dụng lý thuyết thiết kế bơm ly tâm và tuabin thuần túy, tác giả đã xác định được các thông số hình học cơ bản của bánh công tác như bảng 2.4. Sau đó, các kết quả này được so sánh với các kết quả trong mô hình thuận nghịch bơm–tuabin. Chi tiết cho trong bảng 2.4. Bảng 2.4 Đánh giá sự hiệu chỉnh các thông số hình học trong máy thuận nghịch bơm - tuabin so với bơm và tuabin độc lập Thông số D1 D2 d2* Z β1B β2B θ (m) (m) (o) (o) (o) Bơm 0,23 0,46 2 7 20 25 98 Tuabin 0,23 0,36 1,4 19 35 70 50 Bơm-tuabin thuận nghịch 0,23 0,4-0,44 1,74-1,91 9-13 24-29 30-35 56-72 Với cùng các thông số đầu vào, áp dụng lý thuyết thiết kế bơm ly tâm và tuabin thuần túy, tác giả đã xác định được các thông số hình học cơ bản của bánh công tác 63 như bảng 2.4. Sau đó, các kết quả này được so sánh với các kết quả trong mô hình thuận nghịch bơm–tuabin. Chi tiết cho trong bảng 2.4. Bảng 2.4 cho thấy các kích thước chính của bánh công tác thuận nghịch bơm – tuabin có sự giao thoa, hài hòa của các thông số hình học trong hai mô hình bơm và tuabin. So sánh với bơm được thiết kế ban đầu thì số cánh và góc đặt cánh β1B và β2B tăng trong khi đường kính d*2=D2/D1và góc ôm cánh θ giảm đáng kể. Stelzer và Walters [28] đã đưa ra các quan hệ để xác định được một số thông số cơ bản của bánh công tác thuận nghịch PaT như D1, D2, D3, b1, b2 theo các giá trị của ns trên cơ sở các bơm có sẵn theo. Theo đó, tỷ số d*2=D2/D1 trong nghiên cứu này với các kết luận của Stelzer và Walters cho thấy phù hợp. Các kết quả khảo sát cho thấy, trong vùng β1B =24o -29o thì hiệu suất và các đặc tính H, P đều tốt nhất. So sánh với các kết quả của Yang và cộng sự [46] và nhóm của Shi [47] cho thấy với PaT có cánh hướng thì kết quả về góc đặt cánh β1B trong nghiên cứu này là phù hợp. Đánh giá về góc đặt cánh β2B và số cánh Z cho thấy phương án β2B = 30o-35o và Z trong khoảng 9-13 cánh được đề xuất bởi nghiên cứu cho thấy có sự hài hòa trong cả hai mô hình nhưng vẫn cho thấy sự ưu tiên theo mô hình bơm. 2.4 Thiết kế biên dạng cánh - Phân tích ảnh hưởng của biên dạng cánh đến hiệu suất của PaT 2.4.1 Lựa chọn bộ thông số đầu vào của mặt cắt kinh tuyến Các kết quả khảo sát trong mục 2.3 cho thấy β1B và β2B đều có ảnh hưởng nhiều đến đặc tính năng lượng của bơm và tuabin, nhưng vùng giá trị tối ưu của β1B trong mô hình bơm và tuabin là xấp xỉ nhau trong khi vùng giá trị tối ưu của β2B trong tuabin lớn hơn nhiều. Ngoài ra, giá trị của β1B và β2B ảnh hưởng nhiều đến biên dạng cánh. Vì vậy, trong nghiên cứu này tác giả lựa chọn một bộ thông số được lựa chọn từ bảng 2.4 để tiếp tục cho quá trình thiết kế biên dạng cánh. Như mục 2.2.2 đã đưa ra cơ sở lý thuyết để thiết kế mẫu cánh thuận nghịch cho thấy đường nhân của biên dạng cánh của nghiên cứu là các biến theo đường kính D1, D2, góc đặt cánh β1B và β2B (theo phương trình (2-81)). Tuy nhiên, các kết quả khảo sát theo bảng 2.4 lại cho thấy đường kính D và góc đặt cánh βB tại mép 1 trong hai mô hình không lệch nhau quá nhiều trong khi các giá trị này tại mép 2 lại có sự chênh lệch lớn, trong đó β2B có ảnh hưởng rất nhiều đến biên dạng đường nhân cánh. Trong giới hạn nghiên cứu này, tác giả đề xuất ba phương án mẫu cánh khác nhau dựa trên sự thay đổi của góc đặt cánh β2B trong khi các thông số khác không đổi. Sau 64 đó, sử dụng phương trình đường nhân cánh để đảm bảo cánh là cong đối xứng hoàn toàn để thiết kế cánh. Ba phương án mẫu cánh với góc β1B cố định tại 250, trong khi β2B là 220; 300 và 400. Khi đó, tỷ số β*=β2B/ β1B tương ứng là 0,88; 1,2 và 1,6. Các thông số còn lại cho dưới bảng 2.5. 2.4.2 Thiết kế ba phương án biên dạng cánh Với ba phương án của β*= 0,88; 1,2 và 1,6 kết hợp với bộ thông số như bảng 2.5, ta sẽ xây dựng được quy luật phân bố βj(Lj) như hình 2.19. Sau đó, kết hợp với lý thuyết thiết kế cánh đã được đề xuất cho máy PaT, ta thiết kế được 3 mẫu cánh như hình 2.20. Bảng 2.5 Các thông số hình học chính của BCT Z 10 D1(m) 0,23 D2 (m) 0,42 b1(m) 0,054 b2 (m) 0,04 β1B (0) 25 β*=β2B/ β1B Mẫu 1 0,88 Mẫu 2 1,2 Mẫu 3 1,6 e1=e2(mm) 3 Hình 2.19 Các quy luật phân bố của góc đặt cánh Phương án β*=β2B/ β1B =22/25=0,88 Phương án β*=β2B/ β1B =30/25=1,2 22 24 26 28 30 32 34 36 38 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 G ó c đ ặ t cá n h β j Độ dài tương đối của cánh) β(j)- PA 1 β(j)- PA2 β(j)- PA3 R1 .5 R1 .9 R2 .3 R2 .7 R3 .1 R3. 5 R3.1 R2.7 R2.3 R1.9 38° 75° 22° 2 5 ° 3 0 ° 3 0 ° 66° R1 .5 R1 .9 R2. 3 R2.7 R3.1 R3.5 R3.1 R2.7 R2.3 R1.9 R1.5 25° 30° 65 Phương án β*=β2B/ β1B =40/25=1,6 So sánh đường nhân các phương án Hình 2.20 So sánh ba mẫu biên dạng cánh khảo sát 2.4.3 Đánh giá chất lượng thủy lực của 3 mẫu cánh bằng mô phỏng số 2.4.3.1 Thiết lập bài toán mô phỏng 2D CFD (Computational Fluid Dynamics) – tính toán động lực học chất lưu có sự trợ giúp của máy tính – là một ngành khoa học chuyên dự đoán các đặc tính của dòng chảy, truyền nhiệt, các phản ứng hóa học bằng việc sử dụng quá trình tính toán số để giải các phương trình toán học liên quan. Trong mô hình máy cánh nói chung và trong mô hình bơm-tuabin (Pump as Turbine – PaT) nói riêng, CFD là một công cụ hiệu quả để dự đoán hiệu suất, đánh giá phân bố vận tốc, áp suất và dễ dàng xác định được tổn thất thủy lực qua các bộ phận dẫn dòng. Ứng dụng trong thiết kế Bơm – Tuabin thuận nghịch, các nghiên cứu [33] [48] [49] [50] cho thấy, CFD là công cụ hiệu quả trong việc đánh giá chất lượng thiết kế đồng thời là cơ sở để hiệu chỉnh, cải thiện nâng cao hiệu suất. Miao [51], Olimstad [24] và Xuhe [52] đã kết hợp công cụ CFD với các lý thuyết tối ưu để thiết kế biên dạng cánh cho máy PaT có ns thấp. Kết quả cho thấy hiệu suất đã được tăng cường gần 3% trong cả hai mô hình. Các nghiên cứu của Yang [53], các kết quả trong tài liệu [54] đã mô phỏng 3D để phân tích và đánh 40 ° 2 5 ° 2 3 ° 2 3 ° R1.5 R1.9 R2.3 R2.7 R3.1 R3.5 R3.1 R2. 7 R2 .3 R1 .9 R 1. 5 5 9° 75° 70° 6 6° 5 9 °  2B=22  2B=25  2B=30  2B=40o o o o  1B=25o Pa 1 Pa 3 Pa 2 D 1 D 2 66 giá các vấn đề thủy lực xảy ra khi PaT vận hành trong cả hai mô hình, đồng thời cũng dự báo được tỷ lệ và giá trị các thành phần tổn thất của các khối vùng trong tổng thể hệ thống PaT. (1) Chọn mô hình rối Trong nghiên cứu này, mô hình rối k -ε được lựa chọn để tính toán vì đây là mô hình đầy đủ và tương đối đơn giản với độ chính xác khá tốt. Mô hình này là mô hình bán thực nghiệm dựa trên các phương trình chuyển động rối với năng lượng động học rối k và tỷ lệ khuyếch tán của nó ε. Mô hình k -ε sử dụng hai giả thiết quan trọng là dòng chảy rối hoàn toàn và bỏ qua ảnh hưởng của độ nhớt phân tử. Với dòng rối hai phương trình, phương trình liên tục và phương trình động lượng được viết lại như sau [55]: 0 )( =   xi u i )()}] 3 2 ([ )( '' ji jjl l ij i j j i iij ji uu xxx u x u x u xxx uu   −   +   +   −   +     +   −=   (2-83) (2-84) Với u’i và uj’ là các mạch động (chênh lệch giữa vận tốc tức thời và vận tốc trung bình). Hai phương trình này không đủ kín để giải tất cả các ẩn do vậy ta phải tìm thêm các phương trình liên quan để khép kín thành một hệ phương trình có thể giải được. Trong mô hình k–ε, các phương trình thêm vào theo giả thiết về độ nhớt rối của Boussinesq ta được như sau: kMbk jk t ji i SYGG x k xx ku +−−++                   +   =        )(          S k CGCG k C xx u bk t ji i +−++                 +   =   2 231 )( )( (2-85) (2-86) Trong đó: - Gk là hằng số thể hiện sự phụ thuộc của sự hình thành năng lượng rối động học (k) vào sự biến thiên của vận tốc trung bình như sau: i j jik x u uuG   −= ''. (2-87) - Gb xác định như sau: it t ib x T gG   = Pr   (2-88) Trong đó: 67 Prt - hằng số Prantl; Gi - thành phần gia tốc trọng trường theo phương i; β- hệ số giãn nở nhiệt của môi trường; YM - hệ số thể hiện sự biến thiên của quá trình giãn nở so với giá trị trung bình. 22 tM MY = (2-89) Mt-số Mach của rối: 2a k M t = (2-90) a - vận tốc âm thanh; µ - hệ số nhớt rối   2k Cut = (2-91) Các hệ số còn lại là các hằng số, có giá trị mặc định như sau: 3,1;0,1;09,0;92,1;44,1 21 =====   kCCC (2-92) Kết hợp các phương trình (2-83) và (2-84) ta sẽ được một hệ phương trình khép kín đủ để giải ra trường phân bố vận tốc. (2) Thiết lập các điều kiện biên Trong nghiên cứu này, vật liệu được sử dụng là nước (ρ=998,2(kg/m3)) với các tham số biên điều kiện biên được áp dụng như hình 2.21. Điều kiện biên lưu lượng được áp dụng tại biên inlet trong chế độ bơm và điều kiện biên vận tốc được áp dụng tại biên inlet trong chế độ tuabin. Biên áp suất được áp dụng tại biên outlet cho cả hai chế độ, biên không trượt được áp dụng trên các biên của khối tính toán. Số vòng quay đồng bộ trong cả hai chế độ đều là 600 vòng/ phút. Thuật giải tính toán từ áp suất, không phụ thuộc thời gian. Mô hình rối k- realizable, không trao đổi nhiệt. Mô hình chuyển động MRF, khối cánh công tác chuyển động tương đối với khối buồng xoắn và ống hút. Độ chính xác được thiết lập với 1e-5. a) Chế độ bơm b) Chế độ tuabin 68 Hình 2.21 Hình học và các điều kiện biên 2.4.3.2 Kết quả đánh giá 3 mẫu cánh (1) Phân tích trường đường dòng và vận tốc Mẫu 1- Phương án 1 Mẫu 2- Phương án 2 Mẫu 3- Phương án 3 a) Chế độ bơm b) Chế độ tuabin Hình 2.22 Phân bố trường dòng của 3 mẫu cánh Hình 2.22 thể hiện và so sánh phân bố véctơ vận tốc tuyệt đối của 3 mẫu cánh trong mô hình bơm và tuabin tại điểm thiết kế. Như có thể thấy trong chế độ bơm (hình 2.22a), dòng chảy khá suôn đều qua các máng cánh nhưng vẫn tồn tại một vùng nhỏ tách thành dẫn đến cấu trúc “Jet-Wake” tại mép đuôi của cánh. Vùng này tăng và mở rộng dần dần từ trường hợp mẫu 1 đến mẫu 3 khi β2B tăng dần, cánh ngắn và thẳng dần. Trong chế độ tuabin hình 2.22b, phân bố vận tốc của trường hợp 1 và 2 là tương đối giống nhau về cả phân bố lẫn giá trị. Sự khác nhau chủ yếu xảy ra ở vị trí đuôi cánh khi mẫu cánh 1 xuất hiện cấu trúc “Jet” thì mẫu 2 cho thây dòng suôn đều qua tất cả các phần quan nước. Sự khác nhau này chủ yếu là do độ võng của cánh. Mẫu cánh 3 cho thấy sự xuất hiện của dòng quẩn với cường độ rất lớn. (2) Phân tích động năng rối Xoáy Jet-wake 69 Động năng rối k là chỉ số được sử dụng để đánh giá mức độ rối và dao động phân bố vận tốc của dòng chảy. Hình 2.23 cho thấy mức độ rối của hai mô hình bơm và tuabin tại điểm thiết kế. Trong mô hình bơm (hình 2.23a), mẫu cánh 1 có hệ số k lớn nhất đạt 1.4 tại vị trí cửa và