Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí: Ảnh hưởng thông số hình học bánh công tác đến đặc tính máy thuận nghịch bơm-tuabin NS thấp - Nguyễn Thị Nhớ (HUST)

Máy thủy lực thuận nghịch có lịch sử phát triển gắn liền với ngành năng lượng thế giới. Công nghệ này xuất hiện nhằm giải quyết bài toán cân bằng phụ tải lưới điện. Trong các nhà máy thủy điện tích năng, thiết bị thực hiện nhiệm vụ bơm nước lên hồ chứa vào giờ thấp điểm. Ngược lại, máy vận hành như tuabin phát điện vào giờ cao điểm. Việc tích hợp hai chế độ làm việc giúp tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu. Diện tích xây dựng nhà máy cũng được thu gọn tối đa. Khái niệm bơm hoạt động như tuabin (PaT) mang lại giải pháp kinh tế hiệu quả. Xu hướng phát triển hiện nay hướng đến việc mở rộng dải làm việc ổn định của tổ máy. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng liên tục được cải thiện nhờ các tiến bộ khoa học kỹ thuật. Thiết bị đóng góp tích cực vào việc ổn định tần số hệ thống điện quốc gia.

Máy bơm-tuabin có tốc độ đặc trưng thấp được ứng dụng rộng rãi ở các khu vực địa hình đồi núi dốc. Các dự án này thường có đặc điểm cột nước cao và lưu lượng nguồn nước hạn chế. Dải hệ số Ns thấp đòi hỏi kết cấu bánh công tác bơm-tuabin phải chịu được áp lực dòng chảy rất lớn. Tổ máy kiểu ly tâm - tâm trục là lựa chọn phổ biến nhất cho phân khúc này. Thiết kế chuẩn xác giúp thiết bị duy trì điểm làm việc tối ưu ở cả hai chiều quay. Ngoài ra, máy còn được ứng dụng trong các hệ thống thu hồi năng lượng công nghiệp và mạng lưới cấp nước đô thị. Việc ứng dụng công nghệ này giúp giảm phát thải khí nhà kính. Khả năng phản ứng nhanh với biến động phụ tải làm tăng độ tin cậy của toàn bộ hệ thống nguồn điện.

Nghiên cứu máy thủy lực thuận nghịch gặp nhiều rào cản do tính chất đối nghịch thủy lực. Bánh công tác bơm-tuabin thiết kế cho chế độ bơm thường giảm hiệu suất khi chuyển sang chế độ tuabin. Hiện tượng mất ổn định dòng chảy thường xuyên xuất hiện ở vùng lưu lượng thấp. Vùng không ổn định chữ S gây ra rung động mạnh và tiếng ồn lớn. Vấn đề xâm thực cũng đe dọa nghiêm trọng đến độ bền cơ học của cánh dẫn. Việc tìm ra sự cân bằng giữa hai chế độ vận hành là mục tiêu trọng tâm của các kỹ sư. Sự khác biệt về tổn thất thủy lực đòi hỏi các phương pháp tính toán chuẩn xác. Việc dự báo đặc tính năng lượng trước khi chế tạo mẫu thực nghiệm là yêu cầu bắt buộc. Đây là tiền đề để phát triển các thế hệ máy thủy lực tiên tiến.

Cột nước lý thuyết phản ánh mức độ truyền năng lượng giữa dòng chất lỏng và bánh công tác bơm-tuabin. Trong chế độ bơm, năng lượng cơ học được chuyển hóa thành áp năng và động năng của dòng chảy. Trong chế độ tuabin, thế năng và động năng của nước được chuyển đổi thành cơ năng quay trục. Tổn thất thủy lực trong tổ máy gồm tổn thất ma sát bề mặt, tổn thất va đập và tổn thất rò rỉ qua khe hở. Ở chế độ tốc độ đặc trưng thấp, tổn thất ma sát đĩa và tổn thất dòng thứ cấp chiếm tỷ trọng đáng kể. Các công thức giải tích cho phép ước lượng chính xác hiệu suất thủy lực của toàn bộ cụm dẫn dòng. Việc phân tích định lượng các thành phần tổn thất giúp định hình phương án cải tạo hình học phù hợp. Điều này đảm bảo độ tin cậy cao cho mô hình thiết kế ban đầu.

Mặt cắt kinh tuyến quyết định không gian chuyển động của chất lỏng bên trong bánh công tác. Thiết kế mặt cắt kinh tuyến cần cân đối giữa đường kính bánh công tác và bề rộng dòng chảy. Các thông số hình học cánh được tính toán dựa trên lưu lượng và cột áp thiết kế. Vành trước và đĩa sau của bánh công tác cần có độ cong mượt mà để tránh tách dòng. Việc kiểm soát diện tích mặt cắt lưu thông dọc theo đường dòng giúp ổn định gradient vận tốc. Tỷ lệ kích thước giữa cửa vào và cửa ra ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số Ns thấp của tổ máy. Thiết kế chuẩn xác mặt cắt kinh tuyến tạo tiền đề vững chắc cho việc xây dựng biên dạng cánh không gian. Mọi sự thay đổi đột ngột về tiết diện đều có thể gây ra xoáy cuộn và tổn thất áp suất.

Quy trình xây dựng biên dạng cánh bắt đầu từ việc chọn định dạng đường xương cánh trung bình. Đường cong này quyết định góc đặt cánh vào và ra tại từng tiết diện dòng chảy. Phân bố chiều dày biên dạng cánh được xếp chồng đều đặn dọc theo đường xương cánh. Hình dạng mép cánh ở cả hai đầu cần được bo tròn hợp lý để giảm va đập thủy lực. Phương pháp thiết kế hai chiều hỗ trợ việc khảo sát nhanh nhiều phương án hình học khác nhau. Sau khi hoàn thiện mô hình khung, các bề mặt cánh được làm mịn bằng các thuật toán nội suy đường cong. Sự trơn tru của bề mặt giúp hạn chế ma sát nhớt và nguy cơ bóc tách lớp biên. Quy trình này cung cấp dữ liệu hình học hoàn chỉnh cho các bước phân tích nâng cao tiếp theo.

Đường kính bánh công tác tại cửa vào và cửa ra quyết định tỷ số truyền năng lượng và vận tốc vòng của dòng chảy. Đường kính ngoài D2 chi phối trực tiếp cột áp tạo ra trong chế độ bơm và công suất phát ra trong chế độ tuabin. Việc tăng đường kính bánh công tác làm tăng diện tích tiếp xúc ma sát với chất lỏng. Ngược lại, đường kính quá nhỏ sẽ làm tăng tải trọng cánh và gây nguy cơ xâm thực cục bộ. Tỷ số đường kính D1/D2 cần được tính toán tối ưu để đảm bảo tính năng thủy lực ở cả hai chế độ. Sự tương quan kích thước hình học này ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số Ns thấp của tổ máy. Kiểm soát chính xác đường kính giúp cân bằng phân bố áp suất trên toàn bộ bề mặt làm việc của cánh dẫn.

Góc đặt cánh vào và ra là thông số quyết định trực tiếp hướng của vectơ vận tốc dòng chảy. Góc đặt cánh cửa vào chế độ bơm tương ứng với góc ra trong chế độ tuabin và ngược lại. Nếu góc đặt cánh quá lớn, dòng chảy sẽ bị va đập mạnh và gây tổn thất cột áp lớn. Nếu góc đặt cánh quá nhỏ, tiết diện thông qua bị thu hẹp dẫn đến hiện tượng tắc nghẽn lưu lượng. Việc tối ưu hóa góc tới giúp dòng chảy đi vào rãnh cánh một cách êm thuận nhất. Góc đặt cánh ra ảnh hưởng sâu sắc đến độ dốc của đường đặc tính cột áp theo lưu lượng. Sự điều chỉnh tinh tế các góc này giúp nâng cao hiệu suất tổng thể của bánh công tác bơm-tuabin. Điều này giúp tổ máy hoạt động ổn định trong mọi điều kiện tải.

Chiều dày biên dạng cánh ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền cơ học và đặc tính thủy động học. Phân bố chiều dày không đồng đều dễ tạo ra các vùng hạ áp cực bộ trên lưng cánh. Khi áp suất cục bộ giảm xuống dưới áp suất bốc hơi bão hòa, hiện tượng xâm thực sẽ bùng phát. Xâm thực gây xói mòn vật liệu, phát sinh rung động nguy hiểm và làm tụt giảm hiệu suất nghiêm trọng. Việc làm mỏng hợp lý mép cánh giúp giảm đáng kể lực cản thủy lực. Tuy nhiên, chiều dày biên dạng cánh vẫn phải đảm bảo khả năng chịu ứng suất cơ học khi quay tốc độ cao. Thiết kế cánh bo tròn dạng giọt nước mang lại chất lượng thủy lực vượt trội. Giải pháp này giúp cải thiện đáng kể khả năng kháng xâm thực cho toàn bộ bánh công tác.

Quá trình thiết lập mô hình tính toán đòi hỏi việc chia lưới không gian với mật độ chính xác cao. Miền tính toán bao gồm toàn bộ không gian dòng chảy từ ống hút, bánh công tác đến buồng xoắn. Mô hình rối SST k-omega thường được ưu tiên sử dụng nhờ khả năng dự báo tách dòng vượt trội. Mô phỏng số CFD hai chiều được thực hiện trước để sàng lọc sơ bộ các phương án biên dạng cánh. Sau đó, mô hình ba chiều đầy đủ được xây dựng để phân tích tương tác động học giữa cánh quay và phần tĩnh. Điều kiện biên lưu lượng và áp suất được áp đặt chính xác theo các thông số vận hành thực tế. Việc kiểm tra tính độc lập của lưới đảm bảo độ tin cậy và sự hội tụ của kết quả mô phỏng số.

Kết quả mô phỏng số phản ánh rõ nét cấu trúc dòng chảy bên trong rãnh cánh của tổ máy. Trường vận tốc cho thấy sự hình thành của các dòng chảy ngược tại vùng mép cánh ở tải thấp. Phân bố áp suất trên mặt làm việc và mặt lưng cánh thể hiện lực nâng thủy động tác dụng lên bánh công tác bơm-tuabin. Sự chênh lệch áp suất lớn tại cửa vào là nguyên nhân chính dẫn đến các tổn thất thủy lực cục bộ. Dữ liệu mô phỏng giúp xác định chính xác vị trí có nguy cơ xuất hiện bọt khí xâm thực cao nhất. Từ các đồ thị phân bố áp suất, kỹ sư có thể tinh chỉnh lại độ uốn cong của biên dạng cánh. Quá trình tối ưu hóa này giúp làm mịn trường vận tốc và tăng cường hiệu suất truyền năng lượng.

Kiểm chứng thực nghiệm là bước quyết định để khẳng định độ chính xác của mô hình mô phỏng số CFD. Các mẫu bánh công tác được gia công chế tạo chính xác theo thông số tối ưu. Quá trình thử nghiệm diễn ra trên bệ thử chuyên dụng đạt chuẩn quốc tế tại nhà máy chế tạo. Các thông số về lưu lượng, cột áp, công suất và hiệu suất được đo lường tự động với độ chính xác cao. So sánh cho thấy đường đặc tính năng lượng từ mô phỏng số có độ tương đồng rất lớn với dữ liệu thực nghiệm. Sai số giữa tính toán và thực tế nằm trong giới hạn kỹ thuật cho phép. Kết quả này khẳng định độ tin cậy của phương pháp thiết kế và công cụ mô phỏng số đã đề xuất.

Tổ máy bơm-tuabin tốc độ đặc trưng thấp giữ vị trí chiến lược trong hạ tầng lưu trữ năng lượng. Thiết bị tiêu thụ lượng điện dư thừa từ nguồn điện gió và điện mặt trời vào ban ngày hoặc ban đêm. Lượng nước được bơm dự trữ trên hồ chứa tạo thành nguồn năng lượng dự phòng linh hoạt. Khi nhu cầu tiêu thụ điện tăng vọt, máy ngay lập tức chuyển sang chế độ tuabin để phát điện hòa lưới. Tỷ lệ đáp ứng phụ tải nhanh giúp duy trì tính ổn định của toàn bộ mạng lưới điện quốc gia. Thiết kế tối ưu cho phép máy khởi động và chuyển đổi chế độ một cách mượt mà và an toàn. Nhờ đó, chi phí bảo dưỡng định kỳ và rủi ro sự cố kỹ thuật được cắt giảm đáng kể.

Việt Nam sở hữu địa hình nhiều đồi núi với tiềm năng thủy điện tích năng vô cùng dồi dào. Sự phát triển bùng nổ của nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió đang đặt ra thách thức lớn cho lưới điện. Ứng dụng máy thủy lực thuận nghịch là giải pháp cấp thiết để giải tỏa công suất và chống quá tải. Việc làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo bánh công tác bơm-tuabin trong nước giúp giảm phụ thuộc vào nhập khẩu. Các doanh nghiệp cơ khí chế tạo trong nước đã bước đầu làm chủ quy trình công nghệ tiên tiến này. Việc triển khai các dự án thực tế sẽ tạo đòn bẩy phát triển công nghiệp phụ trợ ngành năng lượng. Đây là hướng đi bền vững cho tương lai an ninh năng lượng quốc gia.