Tóm tắt Luận án Nghiên cứu tua bin tia nghiêng phục vụ phát triển thủy điện nhỏ ở Việt Nam

Do thiếu thông tin, tμi liệu vμ kinh nghiệm tính toán thiết kế nên việc sử dụng TBTN còn gặp rất nhiều hạn chế. Xuất phát từ những vấn đề lý luận vμ thực tiễn nêu trên, tác giả chọn đề tμi nghiên cứu TBTN nhằm hon thiện việc tính toán thiết kế, nâng cao hiệu quả ứng dụng của loại tua bin nμy cho việc phát triển thủy điện nhỏ ở Việt Nam. 3. Lý thuyết TBTN Cho đến nay, lý thuyết TBTN vẫn chỉ dừng lại ở lý thuyết đơn giản dựa trên nguyên lý biến thiên động l−ợng của dòng tia tác động lên tấm bản, chỉ mang tính định h−ớng. Mọi nghiên cứu hoμn thiện hầu nh− đều dựa trên cơ sở thực nghiệm. 4. Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài Với mục đích nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng TBTN cho phát triển thủy điện nhỏ ở Việt Nam, đồng thời dựa trên cơ sở các nghiên cứu ứng dụng ban đầu tại Viện Thủy điện vμ năng l−ợng tái tạo, qua đánh giá chất l−ợng lμm việc của các TBTN đang vận hμnh trên thực tế kết hợp với điều kiện trang thiết bị nghiên cứu hiện có, tác giả đã định h−ớng cho luận án của mình nh− sau: Hiện t−ợng chèn dòng phía sát bầu bánh công tác (BCT) của TBTN lắp đặt tại nhμ máy thủy điện Suối Tân 3 - Nghiên cứu lựa chọn loại vòi phun hợp lý cho TBTN với ứng dụng phần mềm Fluent. - Nghiên cứu xác định đ−ờng kính vào của tâm trục dòng tia trên BCT (D1) tối −u của TBTN bằng thực nghiệm. - Nghiên cứu xác định tỷ số tối −u giữa đ−ờng kính D1 với đ−ờng kính dòng tia (D1/d0) qua đó xác định vùng làm việc tối −u của TBTN. Từ kết quả các nghiên cứu trên sẽ rút ra các khuyến nghị quan trọng trong công tác thiết kế chế tạo vμ sử dụng loại tua bin nμy, đồng thời rút ra định h−ớng cho các nghiên cứu tiếp theo. 5. Ph−ơng pháp nghiên cứu Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết vμ thực nghiệm. - Nghiên cứu lý thuyết động lực học dòng chảy trong vòi phun TBTN với ứng dụng phần mềm Fluent để tính toán lựa trọn loại biên dạng vòi phun hợp lý cho TBTN trên cơ sở một số loại biên dạng vòi phun đã đ−ợc nghiên cứu lý thuyết vμ thực nghiệm sử dụng cho tua bin gáo. Đồng thời rút ra ph−ơng pháp nghiên cứu tối −u hóa biên dạng vòi phun giảm thiểu thời gian vμ chi phí. - Các nghiên cứu xác định đ−ờng kính D1 tối −u vμ tỷ số D1/d0 tối −u bằng ph−ơng pháp thực nghiệm, đ−ợc tiến hμnh trên cơ sở lý luận rút ra từ lý thuyết đơn giản của TBTN vμ các vấn đề thực tế. 6. Bố cục của luận án Luận án gồm: Mở đầu, 4 ch−ơng vμ Phụ lục với tổng số 166 trang, 43 hình vẽ, 20 đồ thị, 8 bảng vμ 31 tμi liệu tham khảo đ−ợc phân bố nh− sau: Mở đầu 4 trang Ch−ơng I Tổng quan 25 trang Ch−ơng II Ph−ơng pháp nghiên cứu 50 trang Ch−ơng III Kết quả nghiên cứu vμ đánh giá kết quả 38 trang Ch−ơng IV Kết luận 3 trang Phụ lục 46 trang 4 Ch−ơng II ph−ơng pháp nghiên cứu 2.1 Nghiên cứu lý thuyết biên dạng vòi phun Cơ sở lý thuyết: Với giả thiết dòng chảy trong vòi phun lμ dòng chảy thế, việc phân tích động lực học dòng chảy có thể tiến hμnh với ph−ơng pháp giải bμi toán thuận bằng đồ giải kết hợp giải tích gần đúng, đ−ợc mô tả nh− sau: Các đ−ờng dòng Si, đ−ờng đẳng thế j-j đ−ợc xây dựng trên cơ sở các công thức: - Xác định l−u l−ợng qua vòi phun: ∫ Δ= R r m nrCQ π2 - Xác định độ chênh thế: F Q π2=ΔΦ Từ các ph−ơng trình cơ bản trên, bằng ph−ơng pháp đồ giải, xây dựng đ−ợc các đ−ờng dòng vμ đ−ờng đẳng thế đồng thời xác định đ−ợc phân bố vận tốc vμ áp suất tại các vị trí trong vòi phun. Nhận xét: - Lμ ph−ơng pháp tính toán cổ điển, bỏ qua nhiều vấn đề ảnh h−ởng nh−: độ nhớt chất lỏng, vật liệu thμnh cứng - Khối l−ợng tính toán quá lớn do phải qua rất nhiều lần điều chỉnh mới có thể xây dựng đ−ợc cho một vị trí của kim phun. 5 Sai Đúng Sai Giá trị V2 ban đầu xác định qua công thức: 2V gHϕ= Giá trị V1 xác định qua công thức 2 1 2 1 F V V F = Nhập P1; V1; P2 lμ điều kiện biên, chạy Fluent để xác định V2’ Kết quả chạy Fluent cho giá trị V2’ Dừng, lấy kết quả 10%; 20%;100% Một biên dạng vòi phun phải xây dựng ở rất nhiều vị trí của kim phun mới có thể phân tích động lực học đầy đủ đ−ợc. ứng dụng phần mềm Fluent Từ những bất cập nêu trên, tác giả đề xuất ph−ơng pháp phân tích động lực học dòng chảy trong vòi phun với ứng dụng phần mềm Fluent. Các ph−ơng trình chính để giải bài toán trên phần mềm Fluent: Ph−ơng trình Navie - Stốc 1 ( ) 3 dv F gradp v grad divv dt υυρ= − + Δ + r r r r Ph−ơng trình Becnuli: 2 2 1 1 2 2 1 2 1 22 2 w p v p vz z h g gγ γ −+ + = + + + Sơ đồ mô hình hóa và ch−ơng trình tính toán nh− sau: (bài toán đối xứng): 6 Với ch−ơng trình tính toán trên, việc phân tích động lực học dòng chảy trong vòi phun TBTN trở nên đơn giản vμ nhanh chóng, cho kết quả với độ chính xác cao (tùy theo điều kiện đặt tr−ớc). Nghiên cứu lựa chọn loại vòi phun hợp lý cho TBTN Về nguyờn tắc, cần phải nghiờn cứu thiết kế loại biờn dạng riờng cho vũi phun của TBTN do vựng làm việc của loại tua bin này cú tỷ tốc cao hơn tua bin gỏo. Tuy nhiờn, với bản chất dũng chảy trong vũi phun cỏc loại tua bin xung kớch là giống nhau, mặt khỏc, một số loại vũi phun của tua bin gỏo cũng đó qua nghiờn cứu thực nghiệm đạt hệ số vận tốc khỏ cao nờn cú thể sử dụng một trong số cỏc loại biờn dạng vũi phun này cho TBTN để giảm chi phớ nghiờn cứu thực nghiệm. Vấn đề đặt ra là cần phải dựng lý thuyết để nghiờn cứu phõn tớch động lực học dũng chảy trong cỏc loại biờn dạng vũi phun đó cú với cỏc điều kiện đầu vào là cỏc thụng số làm việc của TBTN để qua đú đỏnh giỏ chất lượng cỏc loại vũi phun và tỡm ra loại biờn dạng vũi phun hợp lý nhất với điều kiện làm việc của TBTN. Cụ thể, ở đõy cần tiến hành nghiờn cứu lý thuyết ba loại biờn dạng vũi phun mẫu cú hệ số vận tốc cao đó được nghiờn cứu, sử dụng cho tua bin gỏo là: Loại vũi phun dài (cú gúc cụn phần miệng vũi/gúc cụn của van kim là 600/450); loại trung bỡnh (800/540 ) và loại ngắn (850/600). Biờn dạng cụ thể của cỏc loại vũi phun trờn như sau: Biờn dạng vũi phun dài (600/450) 7 2.2 Ph−ơng pháp tính toán, thiết kế TBTN Để tính toán, thiết kế TBTN đáp ứng yêu cầu, điều cần thiết phải hiểu rõ bản chất các quá trình dòng chảy qua nó, đồng thời phải dựa trên các kinh nghiệm thiết kế qua các tμi liệu vμ thực tế. Từ các yêu cầu cụ thể của công trình, xác định kiểu kết cấu, tính toán các kích th−ớc vμ thông số cơ bản lμm cơ sở cho việc thiết kế chi tiết. Công thức xác định các kích th−ớc vμ thông số cơ bản của TBTN nh− sau: i, Đ−ờng kính dòng tia để thiết kế vòi phun: max 0 0 4 2 tt Q d z gHπ ϕ= Nếu ϕ=0,97 : 0 0 0 0,545 Qd z H = Biờn dạng vũi phun trung bỡnh (800/540) Biờn dạng vũi phun ngắn (850/600) 8 ii, Đ−ờng kính BCT: n HnD ' 1 1 = iii, L−u l−ợng qui dẫn: 2 ' 0 1 02 11 2 4 g dQQ z DD H π ϕ ⎛ ⎞= = ⎜ ⎟⎝ ⎠ hay: 2 ' 0 1 0 1 . .Q dQ K z D ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠ iv, Số vòng quay qui dẫn: H nDn 1'1 = v, Số vòng quay đặc tr−ng ns: 4 HH Nnns = hay ' 1 ' 165,3 Qnns η= Từ ph−ơng pháp tính toán thiết kế vμ các kinh nghiệm thực tế, căn cứ vμo các điều kiện thí nghiệm phục vụ nghiên cứu, TBTN mô hình đ−ợc tính toán, lựa chọn lμ loại kết cấu trục ngang, hai vòi phun với các kích th−ớc vμ thông số cơ bản sau: Thông số đầu vào: Cột áp: H=10m Công suất lớn nhất: N=5kW Các thông số cơ bản của TBTN mô hình: L−u l−ợng thiết kế: 0,064 m3/s Đ−ờng kính BCT: D1=250mm Đ−ờng kính dòng tia: 52 mm Số vòng quay định mức: 500 v/ph Số vòng quay qui dẫn: 39,5 v/ph L−u l−ợng qui dẫn: 0,322 m3/s Tỷ số D1/d0: 4,8 BCT của TBTN mô hình: 9 Mẫu BCT chọn để chế tạo TBTN mô hình lμ mẫu tham khảo tua bin thực của hãng GILKES lắp đặt nhμ máy thủy điện Nμ Chá, Mộc Châu, Sơn La. Các kích th−ớc cơ bản của BCT tua bin mô hình nh− sau: Vòi phun của TBTN mô hình: Vòi phun tua bin mô hình đ−ợc chọn theo mẫu biên dạng 800/540, có kích th−ớc xác định theo d0 nh− sau: TBTN mô hình đ−ợc tính toán đảm bảo luật t−ơng tự (−u tiên đồng dạng hình học vμ hệ số Rây nôn đáp ứng theo qui định của Tiêu chuẩn IEC 41- 1991-11) đảm bảo lμm cơ sở để tính toán thiết kế các tua bin nguyên hình. 10 2.3 Nghiên cứu thực nghiệm TBTN Hệ thống thí nghiệm Hệ thống thí nghiệm đ−ợc xác định từ các thông số yêu cầu thử nghiệm của TBTN mô hình: - Cột n−ớc thiết kế của tua bin: H= 10 m - L−u l−ợng qua tua bin: Q= 64 l/s - Công suất thiết kế: N = 5 kW Sơ đồ hệ thống thí nghiệm nh− sau: 2 1 4 3 6 7 5 11 a2 a1 a3 b d c a Trong đó: 1- Bể trữ n−ớc ngầm; 2- Bơm cấp; 3- Tổ máy thí nghiệm; 4- Bể tạo cột áp; 5- Thiết bị đo l−u l−ợng; 6- Kênh dẫn n−ớc sau thí nghiệm về bể cấp; 7- Trung tâm thu thập và xử lý số liệu. Tổ máy thí nghiệm bố trí một số thiết bị sau: a- Tua bin mô hình (a1: Rãnh tr−ợt của cụm vòi phun; a2 - Cụm đai ốc điều chỉnh vμ hãm vòi phun tại vị xác định; a3 - ống cao su chịu áp để cụm vòi phun có thể điều chỉnh vị trí đ−ợc); b- Thiết bị gây tải; c- Thiết bị đo mô men và số vòng quay; d- Thiết bị đo áp suất d−). Chi tiết xem hình d−ới đây: Thí nghiệm xác định đ−ờng kính vào của tâm trục dòng tia trên BCT Ph−ơng pháp tiến hành thực nghiệm: Để xác định vị trí tối −u của tâm trục dòng tia trên BCT, cần di chuyển vòi phun theo chiều h−ớng kính của BCT vμ cần phải đảm bảo các yếu tố khác không bị ảnh h−ởng. Sơ đồ mô tả việc di chuyển vòi phun nh− sau: 12 Tại mỗi vị trí của vòi phun, tiến hμnh thí nghiệm năng l−ợng tua bin để xác định vị trí tối −u. Quá trình thực nghiệm đo đạc số liệu: Tại vị trí ban đầu của vòi phun (theo mẫu thiết kế: D1 = 250 mm), bắt đầu tiến hμnh thí nghiệm đo đạc vμ lấy số liệu, di chuyển vòi phun theo chiều h−ớng kính, xa tâm dần (từ D1 = 250 ~ 280mm) với b−ớc điều chỉnh 2,5 mm theo bán kính (t−ơng đ−ơng với D1+5mm). Tại mỗi vị trí của D1, thực hiện quá trình đo với các độ mở S=0 đến Smax với b−ớc điều chỉnh S+10mm. Để có cơ sở đánh giá chính xác hơn cho dữ liệu đo đạc đ−ợc, tại vị trí của vòi phun ban đầu theo thiết kế vμ vị trí tối −u của vòi phun tìm đ−ợc (D1 tối −u), tiến hμnh đo với b−ớc điều chỉnh độ mở vòi phun mịn hơn (S+5mm). Công thức cơ sở sử dụng trong quá trình thực nghiệm để đánh giá đặc tính hiệu suất của tua bin: Trong đó: NT : công suất trên trục tua bin ω*MNT = Thí nghiệm xác định tỷ số D1/d0 Quá trình thí nghiệm xác định tỷ số D1/d0 đ−ợc tiến hμnh sau khi tìm đ−ợc vị trí tối −u của tâm trục dòng tia trên BCT. HQ NT T **81,9 =η 13 Về mặt nguyên tắc, đ−ờng kính dòng tia lớn nhất có thể xác định theo điều kiện hình học, đảm bảo sao cho ô van dòng tia trên BCT không bị chạm vμo bầu hoặc vμnh. Tất nhiên, với đ−ờng kính dòng tia lớn nhất đó, tua bin không thể cho hiệu suất vận hμnh cao nhất đ−ợc. Nh−ng, đó cũng lμ cơ sở để chọn kích th−ớc vòi phun trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm. Do vòi phun cũng lμ một dạng của máy thủy lực, nó cũng tuân theo luật t−ơng tự. Vì vậy, để có độ chính xác cao nhất, cần phải sử dụng nhiều vòi phun đồng dạng, có kích th−ớc khác nhau nh−ng cùng một tỷ lệ độ mở để đảm bảo rằng tỷ số D1/d0 tối −u tìm đ−ợc sẽ bị ảnh h−ởng ít nhất bởi hiệu suất vòi phun. Tuy nhiên, nh− vậy khối l−ợng vòi phun cần chế tạo rất lớn, chi phí chế tạo vμ thời gian nghiên cứu sẽ tăng lên rất nhiều. Vì vậy, việc sử dụng một vòi phun với kích th−ớc đ−ợc tính toán từ đ−ờng kính dòng tia lớn nhất, sau đó thay đổi đ−ờng kính dòng tia bằng cách điều chỉnh hμnh trình của nó lμ có thể chấp nhận đ−ợc. Sự ảnh h−ởng bởi hiệu suất vòi phun khi điều chỉnh hμnh trình thực tế lμ không đáng kể. Ph−ơng pháp nμy đ−ợc sử dụng để nghiên cứu thực nghiệm xác định giá trị tối −u của tỷ số D1/d0. Quá trình thực nghiệm cũng đ−ợc tiến hμnh t−ơng tự đối với quá trình thực nghiệm xác định vị trí tối −u của tâm trục dòng tia trên BCT, nh−ng thực hiện riêng tại vị trí D1 tối −u. Thu thập và xử lý số liệu trong quá trình thực nghiệm Thu thập số liệu trong quá trình thực nghiệm Quá trình thu thập số liệu đ−ợc tiến hμnh đồng thời cho một bộ các thông số để từ đó xác định hiệu suất của tua bin. Tại chế độ đo, đ−ợc thiết lập bởi các điều chỉnh chế độ thử nghiệm trên tua bin (vị trí vòi phun, hμnh trình kim phun,), ở phòng thu thập số liệu tiến hμnh điều chỉnh số vòng quay của tua bin thông qua công suất ra bởi bộ phận gây tải. Tại mỗi điểm đo (xác lập đ−ợc từ chế độ đo vμ số vòng quay đã đ−ợc điều chỉnh), sau khi tua bin vận hμnh ổn định, bắt đầu thu thập bộ số liệu. Số l−ợng cặp số liệu đ−ợc lấy đủ lớn để đảm bảo độ chính xác khi xử lý số liệu. Đây đ−ợc coi lμ một bộ số liệu thô. Sau khi thu thập đ−ợc đủ các bộ số liệu đo theo yêu cầu đặt ra, tiến hμnh xử lý số liệu để xây dựng các đặc tính lμm việc vμ phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu. 14 Qui trình xử lý dữ liệu thí nghiệm: Để có cơ sở đánh giá kết quả nghiên cứu một cách chính xác, quá trình đánh giá cần đảm bảo các yêu cầu sau: - Đánh giá sai số dụng cụ đo - Đánh giá sai số bộ dữ liệu đo đ−ợc - Xác định độ phân tán chuẩn của dữ liệu - Xây dựng đ−ờng mô tả (Fit line) - Xử lý bộ dữ liệu B−ớc 1: Xử lý sơ bộ: loại bỏ dữ liệu ngoại lai, không tin cậy. B−ớc 2 : Tính toán: sử dụng phần mềm để tính toán, xây dựng biểu đồ, đồ thị. 2.3 Kết luận - Việc nghiên cứu lý thuyết động lực học dòng chảy trong vòi phun với ứng dụng phần mềm tính toán thủy lực Fluent vμ việc sử dụng một sơ đồ tính toán hợp lý, lô gíc có thể có kết quả tính toán một cách nhanh chóng vμ một kết quả có độ chính xác cao hơn. - Trong nghiên cứu thực nghiệm, điều cần thiết nhất lμ phải có đánh giá tổng quan từ điều kiện thực tế của phòng thí nghiệm đến khả năng của các thiết bị, phạm vi của dụng cụ đo vμ sai số của nó từ đó tính toán, lựa chọn đ−ợc mô hình vật lý với các thông số, dải số liệu cần đo phù hợp, độ chính xác của số liệu đạt yêu cầu. - Ph−ơng pháp xử lý số liệu thí nghiệm mô hình vật lý dựa trên cơ sở lý thuyết sắc xuất thống kê, đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu thu thập đ−ợc, từ đó có thể đánh giá kết quả nghiên cứu một cách chính xác hơn. 15 Ch−ơng III Kết quả nghiên cứu vμ đánh giá kết quả 3.1 Kết quả và đánh giá kết quả nghiên cứu vòi phun TBTN Kết quả nghiờn cứu: Tiến hành phõn tớch động lực học của ba loại vũi phun ở kớch thước nguyờn mẫu (đường kớnh miệng vũi 100mm) với cỏc độ mở khỏc nhau từ S=10% đến S=100% (để đảm bảo quỏ trỡnh phõn tớch được chớnh xỏc, chọn bước điều chỉnh độ mở là ΔS=10%). Chọn cột ỏp đầu vào là 100m, là cột ỏp phổ biến nhất trong phạm vi làm việc của TBTN. Kết quả tớnh toỏn ở cỏc độ mở được thể hiện bởi cỏc biểu đồ dạng trường giỏ trị theo màu; dạng trường vộc tơ phõn bố vận tốc vào ỏp suất và dạng số. Với cỏc giỏ trị vận tốc trung bỡnh tớnh toỏn được ở cỏc độ mở, xỏc định được hệ số vận tốc ϕ (là thụng số đặc trưng cho hiệu quả làm việc của vũi phun) theo cụng thức: 2 2. . TBV g H ϕ = ở đõy: V2TB là vận tốc trung bỡnh ở lối ra của vũi phun tớnh toỏn được; g: gia tốc trọng trường; H: cột ỏp toàn phần của vũi phun. Kết quả nghiờn cứu như sau: He so van toc ly thuyet cac loai bien dang voi phun H=100m, Dv=100mm 0.95 0.955 0.96 0.965 0.97 0.975 0.98 0.985 0.99 0.995 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Do mo S(%) He s o va n to c VP Dai VP TB VP Ngan Đồ thị quan hệ giữa hệ số vận tốc lý thuyết và độ mở của cỏc loại biờn dạng vũi phun mẫu với cột ỏp làm việc H=100m 16 Để cú kết luận chớnh xỏc hơn, xem xột thờm trường hợp tương ứng với điều kiện làm việc của tua bin mụ hỡnh nghiờn cứu trong phũng thớ nghiệm. Cụ thể, kớch thước vũi là 60mm, cột ỏp đầu vào là 10m. He so van toc ly thuyet cac loai voi phun H=10m, D=60mm 0.945 0.95 0.955 0.96 0.965 0.97 0.975 0.98 0.985 0.99 0 20 40 60 80 100 Do mo (%) He s o va n to c VP Dai VP TB VP Ngan Đồ thị quan hệ giữa hệ số vận tốc lý thuyết và độ mở của cỏc loại biờn dạng vũi phun cú kớch thước 60mm, cột ỏp làm việc H=10m Đỏnh giỏ kết quả: - Kết quả phõn tớch động lực học dũng chảy với ứng dụng phần mềm Fluent cho ba loại biờn dạng vũi phun cho thấy, cả ba loại đề cú sự phõn bố vận tốc và ỏp suất đều, tuõn theo đỳng quy luật biến đổi từ ỏp năng sang động năng của dũng chảy từ lối vào đến lối ra của vũi phun. - Kết quả trờn biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc giữa hệ số vận tốc lý thuyết của vũi phun và độ mở của kim phun của ba loại biờn dạng vũi phun cho thấy cả ba loại vũi phun này đều cú hệ số vận tốc lý thuyết cao (đến 99,2%). Tuy nhiờn, loại vũi phun trung bỡnh cú hệ số vận tốc lý thuyết cao nhất và tương đối đều ở cỏc độ mở khỏc nhau. Như vậy, với phạm vi cột ỏp làm việc của TBTN dao động xung quanh khoảng 100m thỡ việc sử dụng loại vũi phun này là hợp lý nhất. - Khi cỏc biờn dạng vũi phun giữ nguyờn và thu nhỏ kớch thước, hệ số vận tốc lý thuyết của vũi phun giảm, kết quả này cũng rất phự hợp với thực tế 17 do khi kớch thước vũi phun nhỏ, tổn thất ma sỏt thành tăng lờn làm giảm hệ số vận tốc. - Nghiờn cứu cỏc biờn dạng vũi phun tương ứng với kớch thước chọn cho TBTN mụ hỡnh cho thấy, với cột ỏp thấp, cả ba loại vũi phun cú sự thay đổi về giỏ trị và qui luật thay đổi hệ số vận tốc lý thuyết theo độ mở. Tuy nhiờn, loại biờn dạng vũi phun trung bỡnh ớt thay đổi về qui luật nhất, đồng thời giỏ trị hệ số vận tốc lý thuyết tớnh toỏn vẫn đạt cao nhất. - Trong ba loại vũi phun nghiờn cứu, loại cú biờn dạng trung bỡnh cũn cú một ưu việt nữa là với cựng một kớch thước miệng vũi, nú cú kớch thước ống dẫn nước đến nhỏ nhất so với hai loại kia. Điều này cú ý nghĩa kinh tế cao do cú thể giảm được kớch thước của cụm vũi phun núi riờng cũng như đối với TBTN núi chung. 3.2. Kết quả và đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm TBTN: 3.2.1 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định đ−ờng kính vào tối −u của trục dòng tia trên BCT: Kết quả nghiên cứu: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đ−ợc trình bμy một cách tổng quát nh− sau: Hieu suat max - D1 69.0 70.0 71.0 72.0 73.0 74.0 75.0 76.0 77.0 78.0 250 260 270 280 Duong kinh D1 H ie u su at S=30mm S=40mm S=50mm Biểu đồ quan hệ giữa hiệu suất lớn nhất của tua bin vμo vị trí tâm trục dòng tia trên BCT (D1) của TBTN mô hình 18 Với giá trị D1 theo thiết kế ban đầu (250mm) vμ D1 tối −u tìm đ−ợc (D1o=270mm), tiến hμnh thực nghiệm chi tiết tại nhiều độ mở của vòi phun khác nhau. Từ đó, xây dựng đ−ợc đặc tính tổng hợp chính của TBTN mô hình t−ơng ứng với D1 thiết kế vμ D1o . Cụ thể nh− sau: Đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình theo D1 thiết kế Đặc tính tổng hợp chính của tua bin mô hình theo D1 tối −u 19 Đánh giá kết quả nghiên cứu: Các biểu đồ kết quả thực nghiệm cho thấy, khi điều chỉnh vị trí tâm trục dòng tia ra xa bầu hơn (tăng D1) trong một giới hạn cho phép (các thông số cột áp, l−u l−ợng không thay đổi), hiệu suất lμm việc của tua bin tăng lên, điều nμy phù hợp với với phân tích lý thuyết vμ thực tế vận hμnh. Tiếp tục tăng D1 lên thêm, hiệu suất lớn nhất của tua bin bắt đầu giảm. Từ biểu đồ quan hệ giữa hiệu suất lớn nhất của tua bin vμo vị trí tâm trục dòng tia trên BCT của TBTN mô hình, có thể rút ra các nhận xét sau: i) Độ chênh hiệu suất từ đ−ờng kính vμo D1=250mm đến D1=270mm phụ thuộc vμo độ mở của vòi phun (đ−ờng kính dòng tia): + Với độ mở S=50mm, độ chênh hiệu suất lμ: max270 max250η η ηΔ = − = 74,9% - 70% = 4,9% ở đây: max 270 max 250;η η lμ các giá trị hiệu suất lớn của tua bin ứng với các giá trị D1=270mm vμ D1=250mm + Với độ mở S=40mm, độ chênh hiệu suất ηΔ = 4,3% + Với độ mở S=30mm, độ chênh hiệu suất ηΔ = 2,2% ii) Giá trị độ chênh hiệu suất từ đ−ờng kính vμo D1=250mm đến D1=270mm tăng theo độ mở của vòi phun hay đ−ờng kính dòng tia (l−u l−ợng tua bin). iii) Với các độ mở khác nhau của vòi phun, ở giá trị D1=270mm, tua bin đều có hiệu suất lớn nhất. Các kết luận trên có thể đ−ợc giải thích nh− sau: Từ sơ đồ kết cấu BCT của TBTN có thể thấy rằng, khoảng cách giữa hai cánh liên tiếp sẽ cμng tăng lên khi cμng xa bầu. Khi dòng tia tác động lên BCT ở vị trí gần bầu (loại trừ vị trí lμm cho dòng tia va vμo bầu), về nguyên tắc, các lớp phần tử chất lỏng tác động lên cánh BCT sẽ mỏng hơn (do đồng thời tác động lên nhiều cánh hơn), góc vμo trung bình của các phần tử chất lỏng sẽ gần hơn với giá trị tối −u theo lý thuyết tính toán. Tuy nhiên, do khoảng hở (máng dẫn) giữa hai cánh hẹp, gây nên hiện t−ợng 20 xuất hiện dòng di động có áp trong máng dẫn lμm mất đi bản chất xung kích của dòng tia. Nh− vậy, hiệu suất lμm việc của tua bin giảm. Tr−ờng hợp khác, tuy lớp dòng tia ch−a đủ dμy để tạo nên dòng có áp trong máng dẫn, nh−ng do độ dμy của nó lớn, khi ra khỏi mép cánh, một phần lớp dòng va vμo mặt l−ng của cánh tiếp theo lμm cản trở quá trình chuyển động của nó vμ cũng lμm cho hiệu suất của tua bin giảm. Bây giờ, xét đến các vị trí gần vμnh hơn. Ngoại trừ vị trí lμm cho dòng tia va vμo vμnh, khi vị trí vμo của dòng tia cμng sát vμnh, khoảng hở giữa hai cánh liên tiếp cμng lớn. Lúc nμy, dòng tia sẽ tác động lên cánh một cách hoμn toμn xung kích. Tại mép ra của cánh, do khoảng cách lớn nên lớp dòng thoát ra một cách tự do, không xuất hiện hiện t−ợng dòng tia khi ra khỏi cánh nμy lại va vμo l−ng cánh tiếp theo. Tuy nhiên, khi khoảng hở giữa hai cánh liên tiếp ở phía dòng tia đi vμo quá lớn, lớp dòng tia tác động lên lá cánh dμy, các phần tử chất lỏng lúc nμy sẽ đi vμo cánh với các góc khác nhau vμ khác với tính toán lý thuyết. Sự sai khác nμy gây hiện t−ợng va đập ở một số phần tử của lớp dòng tia vμ sẽ gây nên hiện t−ợng sụt giảm hiệu suất chung của tua bin. Tổng hợp các phân tích trên đi đến kết luận: khi dòng tia vμo ở gần bầu, t−ơng quan tỷ lệ giữa lớp dòng tia vμ khe hở máng dẫn lớn, gây hiện t−ợng chèn dòng hoặc va đập ở lối ra; ng−ợc lại, khi dòng tia vμo ở vị trí gần vμnh, do khoảng hở lớn, gây ra hiện t−ợng va đập đối với một số phần tử dòng tia ở lối vμo. Cả hai tr−ờng hợp nêu trên đều lμm sụt giảm hiệu suất lμm việc của tua bin. Nh− vậy, việc tồn tại một vị trí vμo nμo đó của dòng tia giữa vμnh vμ bầu lμm cho tua bin lμm việc tối −u lμ đúng. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã tìm ra vị trí tối −u đó (D1o=270mm). Từ giá trị D1o của tua bin mô hình xác định qua thực nghiệm, có thể tìm đ−ợc mối quan hệ hình học giữa đ−ờng kính vμo tối −u với các kích th−ớc bầu vμ vμnh ở lối vμo BCT theo công thức: 1 2,015 v bD DD += ở đây: DV, Db đ−ờng kính trong của vμnh vμ đ−ờng kính ngoμi của bầu ở mặt vμo BCT. 21 3.2.1 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định tỷ số D1/d0 tối −u: Kết quả nghiên cứu: Đ−ờng kính dòng tia, nếu quan niệm lμ kích th−ớc của dòng tia ngay tr−ớc khi tác động lên BCT thì rất khó xác định vì nó phụ thuộc vμo nhiều yếu tố: độ mở vòi phun, chất l−ợng của loại vòi phun sử dụng vμ cả bộ phận ống dẫn n−ớc vμo tua bin (lμm cho dòng tia bị loe nhiều hay ít sau khi ra khỏi vòi phun). Do đó, đ−ờng kính dòng tia đ−ợc qui −ớc bằng diện tích thoát qua vòi (qui tròn) để việc tính toán đơn giản vì trên thực tế giữa kích th−ớc theo qui định nh− vậy so với kích th−ớc dòng tia tr−ớc khi tác động lên BCT khác nhau không đáng kể. Nh− vậy, có thể xác định đ−ợc đ−ờng kính dòng tia qua độ mở của vòi phun bằng ph−ơng pháp hình học. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm thể hiện trên biểu đồ sau: Hieu suat tua bin ~ D1/do 0.600 0.620 0.640 0.660 0.680 0.700 0.720 0.740 0.760 0.780 0.800 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 Ty so D1/do H ie u su at tu a bi n Biểu đồ quan hệ giữa hiệu suất TBTN mô hình vμ tỷ số D1/d0 Đánh giá kết quả nghiên cứu: Từ biểu đồ kết quả nghiên cứu, có thể rút ra các nhận xét sau: + Tua bin đạt hiệu suất lμm việc cao nhất với tỷ số D1/d0≈5 + Khi D1/d0 > 5, hiệu suất tua bin có xu h−ớng giảm nhanh + Khi D1/d0 < 5, hiệu suất tua bin giảm với xu h−ớng chậm hơn 22 + Vùng lμm việc tối −u của tua bin trong khoảng 4,5 < D1/d0 < 6 (có hiệu suất lớn hơn 75%) Kết quả nghiên cứu thực nghiệm có thể đ−ợc phân tích nh− sau: Khi tỷ số D1/d0 lớn hơn so với giá trị tối −u, có nghĩa lμ đ−ờng kính dòng tia nhỏ đi, về nguyên tắc lý thuyết, hiệu suất tua bin sẽ không giảm do lớp dòng tia trên cánh BCT sẽ mỏng hơn, không xảy ra hiện t−ợng chèn dòng hoặc va đập ở lối vμo cũng nh− lối ra. Tuy nhiên, trên thực tế, ngoμi các yếu tố gây sụt giảm hiệu suất nêu trên, còn có nhiều yếu tố khác nh−: tổn thất ma sát ở các ổ trục, tổn thất cơ khí khi BCT quay trong không khí, tổn thất do ma sát của dòng chảy với mặt cánh . Các loại tổn thất nμy tuy rất nhỏ nh−ng khi đ−ờng kính dòng tia nhỏ (công suất tua bin nhỏ), tỷ lệ của chúng so với công suất của tua bin tăng lên gây ra hiện t−ợng giảm hiệu suất, đặc biệt lμ khi D1/d0 lớn (D1/d0 > 9). Tr−ờng hợp ng−ợc lại, khi D1/d0 giảm, có nghĩa lμ đ−ờng kính dòng tia tăng lên, lúc nμy tỷ lệ các tổn thất cơ khí giảm do công suất của tua bin cao. Tuy nhiên, khi đ−ờng kính dòng tia đạt tới giá trị nμo đó, hiện t−ợng chèn dò