- Côngtrìnhđượchoànthànhtại: BộmônVậtlý Tin học Viện Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà N BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Quốc Tuấn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC (H/D VÀ L/T) ĐẾN HIỆU SUẤT CỦA TUA BIN TRỰC GIAO PHÙ HỢP VỚI DÒNG CHẢY TRÊN SÔNG VÀ VEN BIỂN Ở VIỆT NAM Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC HÀ NỘI - 2018 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: HD1. - Một số kết quả mô phỏng 2D khi thay đổi số cánh bánh công tác tua bin trực giao bằng phần mềm Ansys-Fluent. - Một số kết quả nghiên cứu lý thuyết về tua bin trực giao và kết quả mô phỏng khi thay đổi số cánh bánh công tác tua bin trực giao. - Nghiên cứu ảnh hưởng của số lá cánh bánh công tác tới hiệu suất tua bin trực giao bằng thực nghiệm. - Một trong những nguồn năng lượng tái tạo hiện nay đang được nhiều nơi trên thế giới ứng dụng để phát điện đó là năng lượng dòng chảy ven sông, ven biển, các dòng chảy tại các cửa sông, dòng chảy thủy triều. - Tua bin trực giao là loại tua bin có kết cấu đơn giản, rất phù hợp để ứng dụng khai thác các nguồn năng lượng này. - Tại Việt Nam, do đây là loại tua bin mới nên có rất ít các công trình nghiên cứu đề cập tới loại tua bin trực giao này, với mong muốn đưa ra được mẫu tua bin trực giao phù hợp với điều kiện dòng chảy tại Việt Nam để khai thác các nguồn năng lượng dòng chảy ven sông, ven biển, tác giả đã đi sâu nghiên cứu luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học (H/D và l/t) đến hiệu suất của tua bin trực giao phù hợp với dòng chảy trên sông và ven biển ở Việt Nam” nhằm góp phần từng bước phát triển loại tua bin này tại Việt Nam. - Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Đóng góp cho chuyên ngành một số bổ sung về phương pháp tính toán, thiết kế tua bin trực giao với sự thay đổi các thông số hình học H/D và l/t của bánh công tác tua bin. - Cung cấp cơ sở khoa học trong công tác tính toán thiết kế tua bin trực giao, lựa chọn được các thông số kích thước hình học bánh công tác phù hợp với điều kiện dòng chảy thực tế Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học H/D và l/t đến hiệu suất của tua bin trực giao phù hợp với dòng chảy trên sông và ven biển ở Việt Nam. - Do dòng chảy tự nhiên ven biển Việt Nam phổ biến ở mức dải vận tốc V m/s nên ta có thể gia tăng vận tốc bằng cách thu hẹp dòng chảy hoặc lắp đặt tua bin tại các cửa sông, khu vực có địa hình co hẹp ven biển, khi đó ta có thể khai thác được tối đa năng lượng của dòng chảy. - Phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu tính toán lý thuyết với mô phỏng toán học và thực nghiệm vật lý, đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số hình học H/D và l/t của bánh công tác đến hiệu suất của tua bin trực giao. - Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a) Ý nghĩa khoa học: Xác định được phương pháp tính toán, thiết kế tua bin trực giao, đánh giá được ảnh hưởng của một số thông số hình học của bánh công tác đến hiệu suất của tua bin, làm cơ sở cho việc lựa chọn mẫu bánh công tác có chất lượng cao phù hợp với điều kiện dòng chảy thực tế. - b) Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng vào thực tế tính toán thiết kế tua bin trực giao để lựa chọn các thông số hình học của bánh công tác như: số lá cánh, chiều 2 dài lá cánh, thông số đường kính và chiều cao của bánh công tác. - Điểm mới của luận án - Luận án đã xây dựng, đề xuất loại tua bin trực giao có thể khai thác năng lượng dòng chảy trên sông, ven biển để phát điện phục vụ nhu cầu dân sinh. - Tua bin trực giao là loại tua bin mới ở Việt Nam và là loại tua bin phù hợp nhất để khai thác các nguồn năng lượng này. - Ứng dụng thành công phần mềm mô phỏng số Ansys-Fluent vào nghiên cứu mô phỏng quá trình làm việc của tua bin trực giao. - Đánh giá được ảnh hưởng của mật độ dãy cánh (l/t) và tỷ số hình học (H/D) tới đặc tính hiệu suất của tua bin trực giao. - Bổ sung tư liệu cho việc tính toán thiết kế chế tạo tua bin trực giao, góp phần đẩy mạnh ứng dụng tua bin trực giao trong khai thác tiềm năng năng lượng dòng chảy trên sông, ven biển và thủy triều 6. - Cơ sở lý thuyết dòng chảy qua tua bin trực giao và ảnh hưởng của các thông số hình học bánh công tác tua bin đến hiệu suất tua bin trực giao. - Khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số hình học bánh công tác tua bin đến hiệu suất tua bin trực giao bằng phần mềm mô phỏng số. - Nghiên cứu thực nghiệm tua bin trực giao tại hiện trường. - Tiềm năng về năng lượng dòng chảy sông, suối, ven biển và thủy triều ở Việt Nam 1.1.1. - Tiềm năng về năng lượng dòng chảy 1.1.2. - Tiềm năng về năng lượng dòng chảy thủy triều ở Việt Nam 1.1.3. - Khảo sát thực tế dòng chảy ven biển Hải Phòng 1.2. - Giới thiệu chung về tua bin trực giao 1.2.1. - Cấu tạo của tua bin trực giao Tuabin trực giao về cơ bản được cải tiến từ mẫu profile cánh kiểu Darrieus, với bánh công tác dạng lưỡi cánh thẳng và profile cánh song song với trục tuabin. - Cấu tạo của bánh công tác tuabin trực giao gồm các lá cánh có biên dạng profile giống nhau dọc theo chiều dài lá cánh, được bố trí đối xứng với tâm quay, do đó chiều quay và đặc tính làm việc (hiệu suất) của nó không phụ thuộc vào chiều dòng chảy và cột nước làm việc. - Tua bin trực giao có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt, chỉ cần có bộ phận neo giữ để đảm bảo về sự cứng vững và vận hành an toàn, không bị phá hỏng. - Hình 1.1 Bánh công tác tua bin trực giao 1.2.2. - Ứng dụng của tua bin trực giao 3 Tua bin trực giao được ứng dụng để khai thác năng lượng của dòng chảy thủy triều, dòng chảy trên sông, cửa cửa sông, ven biển, tại các vị trí có mặt cắt eo hẹp ven biển, trên các kênh tưới tiêu, trên các công trình ngăn mặn, tại các tuyến đê biển. - Tình hình nghiên cứu và ứng dụng tua bin trực giao trên thế giới và ở Việt Nam 1.3.1. - Tình hình về nghiên cứu tua bin trực giao trên thế giới Tua bin trực giao lần đầu tiên được phát triển và sáng chế bởi một nhà phát minh người Pháp tên là Georges Darrieus từ năm 1931 trên cơ sở một tuabin gió trục đứng. - Tuy nhiên việc ứng dụng của tua bin trực giao dùng để khai thác năng lượng dòng chảy cũng mới chỉ được nghiên cứu trong những năm gần đây, các công trình nghiên cứu hiện nay được công bố chưa nhiều, các kết quả được công bố chủ yếu là các sản phẩm tua bin trực giao đã được thương mại hóa của tập đoàn New Energy Corporation (Canada). - Như vậy có thể thấy rằng, các công trình nghiên cứu về tua bin trực giao để ứng dụng, khai thác năng lượng dòng chảy hiện nay chưa được công bố rộng rãi và chi tiết. - Do đó, phạm vi sử dụng, phương pháp tính toán về tua bin trực giao vẫn là bí quyết của từng hãng chế tạo trên thế giới. - Tình hình về nghiên cứu tua bin trực giao tại Việt Nam Ở trong nước hiện nay, đơn vị đầu tiên thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học về tua bin trực giao để khai thác năng lượng dòng chảy thủy triều, dòng chảy ven sông, ven biển phục vụ việc phát điện là Viện thủy điện và năng lượng tái tạo. - Tuy nhiên, kết quả đạt được của đề tài ở mức độ ban đầu, chưa có sự quan tâm nhiều đến cơ sở lý thuyết tính toán loại tua bin này. - Kết luận chương 1 Qua phân tích vấn đề tổng quan tình hình nghiên cứu và thiết kế, chế tạo, sử dụng tua bin trực giao trên thế giới và ở Việt Nam, cho thấy, đặc tính năng lượng cũng như hiệu suất làm việc của tua bin trực giao phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy tại vị trí lắp đặt, hình dạng và kết cấu của bánh công tác. - Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu về tua bin trực giao ở trong và ngoài nước cho thấy còn một số vấn đề tồn tại. - Tua bin trực giao dùng để khai thác năng lượng dòng chảy là loại tua bin mới được nghiên cứu phát triển gần đây, cho nên các công trình nghiên cứu chưa được công bố rộng rãi nhiều, chưa có cơ sở lý thuyết tính toán đầy đủ, việc ứng dụng khai thác tua bin trực giao vẫn còn bị hạn chế. - Tại Việt Nam hiện nay, hầu như không có công trình nghiên cứu về tua bin trực giao, cần có những kết quả nghiên cứu đầy đủ và toàn diện hóa để khai thác, ứng dụng được loại tua bin này ở nước ta. - Do dòng chảy tự nhiên ven biển ở Việt Nam phổ biến trong dải vận tốc V m/s, cho nên, nhằm nâng cao công suất làm việc của tua bin cũng như nhằm khai thác được tối đa năng lượng của dòng chảy, cần lắp đặt tua bin tại các vị trí cửa sông, các vị trí có địa hình co hẹp ven biển hoặc tại các vị trí dòng chảy được thu hẹp (do tạo kênh hoặc đắp đập thu hẹp diện tích mặt cắt của dòng chảy) vì tại các vị trí này vận tốc dòng chảy được gia tăng, đảm bảo hiệu quả cao nhất trong việc khai thác năng lượng dòng chảy. - Tóm lại, tiềm năng về năng lượng dòng chảy ven sông, ven biển của nước ta là khá lớn, trong khi đó tua bin trực giao là loại tua bin phù hợp nhất để khai thác dạng năng lượng 4 này. - Cần chú ý đầu tư nhiều hơn cho nghiên cứu, tính toán để có cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc thiết kế chế tạo, xây dựng được mô hình toán và mô hình vật lý tua bin phù hợp với điều kiện dòng chảy tại Việt Nam. - Lý thuyết dòng chảy qua tua bin trực giao 2.1.1. - Hệ số vận tốc Hệ số vận tốc λ được định nghĩa là tỷ số giữa vận tốc vòng của cánh và vận tốc dòng chảy: Rv. - Sự trao đổi năng lượng dòng chảy khi qua bánh công tác 2.2.1. - Năng lượng dòng chảy qua bánh công tác tua bin trực giao Năng lượng của dòng chảy qua bánh công tác tua bin được xác định theo AVE (2.2) Công suất tua bin được xác định theo (2.3): 3. - .2pAV CP (2.3) Hay: 31...2pPCAV (2.4) Trong đó: A – Diện tích quét của bánh công tác, Cp – Hệ số sử dụng năng lượng dòng chảy hay là hệ số công suất. - Hiệu suất của tua bin trực giao được xác định bằng biểu thức (2.5): ..p TL CKC. - Thuyết động lượng dòng chảy qua bánh công tác Theo hình 2.1, gọi các thông số. - a, w lần lượt đặc trưng cho dòng chảy ở xa vô cùng phía trước bánh công tác, tới bánh công tác và phía sau khi ra khỏi bánh công tác Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: .A.V. - (1-a).Aa.V (2.8) Với hệ số a được gọi là hệ số thu hẹp dòng chảy, nó đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa bánh công tác và dòng chảy qua bánh công tác Hình 2.1. - Sự thay đổi áp suất và vận tốc dòng chảy khi qua bánh công tác V8VaVwBlade pathp8papwpa+-Actuator disc 5 Từ phương trình bảo toàn động lượng dòng chảy qua bánh công tác: F = (pa. - Vw)..Aa.Va (2.9) và phương trình Becnuli cho dòng chảy trước và sau bánh công tác: ..V2 + p + .g.h = Constant (2.10) Ta thu được. - Góc tấn và vận tốc tương đối của dòng chảy Theo hình 2.2, có thể xác định được các thành phần vận tốc theo phương tiếp tuyến Vt và thành phần vận tốc theo phương pháp tuyến Vn như sau: Vt = R. - Va.cos (2.13) Vn = Va.sin (2.14) Góc tấn là góc hợp bởi phương vận tốc tương đối W của dòng chảy và phương vận tốc tiếp tuyến Vt hay là đường dây cung của biên dạng cánh, được xác định: ntVtgV (2.15) Hay: (1 ).sin(1. - Các thành phần vận tốc dòng chảy qua bánh công tác Vận tốc tương đối W của dòng chảy tới cánh bánh công tác có thể xác định được từ biểu đồ phân tích các thành phần vận tốc trên hình 2.2, được xác định theo (2.17): 22. - d (2.18) Độ lớn mô men trên bánh công tác thay đổi theo góc phương vị. - Giá trị mô men tổng cộng được xác định khi bánh công tác quay hết một vòng (0. - (2.22) Khi đó, công suất trên trục tua bin được xác định theo (2.23): P = .TB (2.23) Hệ số công suất Cp có thể được xác định bằng tỷ số giữa công suất thực tế P và giá trị công suất lớn nhất Pmax như sau: 3max1. - (2.24) Mối quan hệ giữa hệ số công suất và hệ số mô men được xác định bởi công thức: .pmCC (2.25) Biểu thức tính công suất tua bin được xác định như sau: 220. - Tính toán, thiết kế bánh công tác tua bin trực giao dựa trên các kết quả nghiên cứu lý thuyết 2.3.1. - Các thông số hình học của tua bin trực giao 2.3.2. - Hệ số cứng vững σ của bánh công tác Hệ số cứng vững của bánh công tác được định nghĩa là tỷ số giữa tổng diện tích của cánh và diện tích quét của rotor. - Lựa chọn biên dạng cánh bánh công tác Biên dạng cánh NACA 0018 được lựa chọn cho các trường hợp mẫu bánh công tác cần nghiên cứu 2.3.3. - Tính toán thiết kế các mẫu bánh công tác cần nghiên cứu 2.3.3.1. - Kết luận chương 2 Trong chương 2, Luận án đã trình bày cơ sở lý thuyết tính toán tua bin trực giao dùng để khai thác năng lượng dòng chảy, phân tích và lựa chọn các thông số cơ bản có ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của tua bin là tỷ số l/t và H/D để tiến hành nghiên cứu tính toán. - Trên cơ sở lý thuyết, tác giả đã tiến hành tính toán, lựa chọn 06 mẫu bánh công tác tua bin khác nhau với tỷ số l/t thay đổi, để tiến hành nghiên cứu sự thay đổi của các thông số hình học này đến hiệu suất làm việc của tua bin trực giao. - Biên dạng profile cánh bánh công tác được chọn là biên dạng NACA 0018, có biên dạng khí động học đối xứng, có hệ số lực nâng lớn cùng với lực cản bé. - Đây là biên dạng được dùng phổ biến cho tua bin trực giao dùng để khai thác năng lượng dòng chảy. - Để tiến hành nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số hình học tới hiệu suất của tua bin, tác giả tiến hành đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số nêu trên bằng phần mềm mô phỏng số Ansys Fluent trước khi đưa vào thiết kế, chế tạo các mẫu tua bin để thử nghiệm tại hiện trường Chương 3. - Khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng của một số thông số bánh công tác đến đặc tính năng lượng của tua bin bằng phần mềm Ansys Fluent 3.1 Giới thiệu về phần mềm Ansys Fluent 3.1.1 Định nghĩa về CFD 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 8 3.1.2 Ưu điểm và hạn chế của CFD 3.1.3 Các lĩnh vực áp dụng CFD hiện nay 3.1.4 Giới thiệu phần mềm Ansys Fluent và Gambit 3.1.5 Cấu trúc của bộ phần mềm Ansys Fluent 3.1.6. - Lối ra (Outlet): Điều kiện biên lối ra được xác định là giá trị áp suất dư (áp suất tại lối ra so với áp suất tại lối vào): Pdư = 0 * Các điều kiện biên tại các mặt còn lại: Tại các mặt còn lại, các điều kiện biên được xác định là tường (wall), đảm bảo tính ổn định của vùng dòng chảy qua bánh công tác tua bin. - Vật liệu lưu chất 3.2 Khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng các thông số bánh công tác tua bin trực giao bằng phần mềm Ansys Fluent 3.2.1 Xây dựng bài toán Bài toán khảo sát ở đây là khảo sát dòng chảy qua lưới cánh bánh công tác tua bin cho các trường hợp bánh công tác mô hình cần nghiên cứu. - Phân bố vận tốc dòng chảy qua cánh bánh công tác tua bin với l/t = 0.13 Hình 3.5. - cho thấy khi vận tốc dòng chảy tăng hay hệ số vận tốc tăng thì hiệu suất tua bin cũng tăng theo và đạt được giá trị lớn nhất tại điểm có giá trị. - Phân bố vận tốc dòng chảy qua cánh bánh công tác tua bin với l/t = 0.19 Hình 3.7. - hệ số Cm Hệ số vận tốc Hiệu suất Hệ số mô men 10 Hình 3.8. - Phân bố vận tốc dòng chảy qua cánh bánh công tác tua bin với l/t = 0.25 Hình 3.9. - cho thấy khi vận tốc dòng chảy tăng hay hệ số vận tốc tăng thì hiệu suất suất tua bin cũng tăng theo và đạt được giá trị lớn nhất tại điểm có giá trị. - Phân bố vận tốc dòng chảy qua cánh bánh công tác tua bin với l/t = 0.32 Hình 3.11. - cho thấy khi vận tốc dòng chảy tăng hay hệ số vận tốc tăng thì hiệu suất tua bin cũng tăng theo và đạt được giá trị lớn nhất tại điểm có giá trị. - hệ số Cm Hệ số vận tốc Hiệu suất Hệ số mô men 11 Hình 3.12. - Phân bố vận tốc dòng chảy qua cánh bánh công tác tua bin với l/t = 0.38 Hình 3.13. - cho thấy khi vận tốc dòng chảy tăng hay hệ số vận tốc tăng thì hiệu suất cũng tăng theo và đạt được giá trị lớn nhất tại điểm có giá trị. - Trường hợp 6 (TH6): l/t = 0.45 Tương tự như các trường hợp trên, sau khi mô phỏng dòng chảy qua bánh công tác với l/t = 0.45 tại các giá trị vận tốc dòng chảy khác nhau ta thu được đồ thị quan hệ. - Hình 3.14. - 1.8 rồi sau đó giảm dần Qua 06 trường hợp khảo sát ở trên, ta thấy phân bố vận tốc dòng chảy qua các mô hình bài toán là tương đối đều, dòng chảy không có sự đột biến, không bị đảo chiều, có hiện tượng tạo xoáy trong vùng bánh công tác, đảm bảo cho sự chuyển động quay của bánh công tác. - hệ số Cm Hệ số vận tốc Hiệu suất Hệ số mô men 12 Hình 3.15. - Đường quan hệ CP =f(l/t) cho các trường hợp thay đổi l/t Theo hình 3.15, ta nhận thấy khi vận tốc dòng chảy tăng hay hệ số vận tốc tăng thì hiệu suất của các mô hình tua bin nghiên cứu tăng theo và đạt đến giá trị lớn nhất, sau đó giảm dần. - Khi tăng tỷ lệ mật độ dãy cánh l/t thì hiệu suất của tua bin cũng tăng theo, theo kết quả mô phỏng tính toán trong hình 3.29 thì trường hợp 4 với l/t = 0.32 (Z = 10 cánh) là trường hợp tua bin làm việc với hiệu suất cao nhất tại giá trị. - 2.37 so với các trường hợp còn lại Để nghiên cứu sâu hơn nữa về ảnh hưởng của các thông số hình học bánh công tác đến hiệu suất làm việc của tua bin, ta tiếp tục tiến hành nghiên cứu thêm về sự ảnh hưởng của tỷ số hình học H/D đến hiệu suất làm việc của tua bin. - H/D = 1.2 và H/D= 1.3 cho trường hợp tua bin có hiệu suất làm việc cao nhất, tức là trường hợp 4, với Z = 10 cánh. - hệ số Cm Hệ số vận tốc Hiệu suất Hệ số mô men 13 3.2.2.8. - Phân bố vận tốc dòng chảy qua cánh bánh công tác tua bin với H/D = 0.9 Hình 3.19. - Phân bố vận tốc dòng chảy qua cánh bánh công tác tua bin với H/D = 1.1 Hình 3.21. - thì khi tỷ số vận tốc tăng thì hệ số mô men Hiệu suất. - hệ số Cm Hệ số vận tốc Hiệu suất Hệ số mô men
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt