BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

Vamengher XAYLIAVUE

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM NGHIÊN CỨU VÀ
THIẾT KẾ TUABIN FRANCIS

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

Vamengher XAYLIAVUE

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM NGHIÊN CỨU VÀ
THIẾT KẾ TUABIN FRANCIS

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Chuyên ngành: CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS PHAN BÙI KHÔI

Hà Nội - 2016

MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan về tuabin thủy lực...............................................................1
1.1 Tình hình phát triển thủy điện ở Lào..........................................................................1
1.2 Tuabin thủy lực..........................................................................................................3
1.2.1 Lịch sử phát triển của tuabin Francis......................................................................3
1.2.2 Sơ đồ các kiểu nhà máy thủy điện...........................................................................5
1.2.3 Các thơng số của dịng chảy và tuabin nước...........................................................7
1.3 Phân loại và phạm vi sử dụng của tuabin.................................................................11
1.3.1 Phân loại theo dạng năng lượng của dòng chảy qua tuabin..................................11
1.3.1.1. Tuabin phản lực.................................................................................................12
1.3.1.2. Tuabin xung lực................................................................................................16
1.3.2 Phân loại theo số vòng quay đặc trưng của tuabin...............................................19
1.3.3 Phạm vi sử dụng của tuabin.................................................................................22
1.4 Tuabin Francis và tuabin Kaplan.............................................................................23
1.4.1 Tuabin Francis.......................................................................................................23
1.4.2 Tuabin Kaplan.......................................................................................................24
1.4.3 Sự khác biệt giữa tuabin Francis và tuabin Kaplan..............................................24
1.5 Kết luận....................................................................................................................26

Chương 2: Cơ sở thiết kế bánh công tác tuabin tâm trục (tuabin Francis)..........27
2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của tuabin Francis...............................................27
2.1.1 Cấu trúc.................................................................................................................27
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của tuabin Francis

..........................................................27

2.1.3 Các trạng thái của dịng chảy trong BXCT...........................................................31
2.2 Các bộ phận chính của tuabin Francis......................................................................32
2.2.1 Vòng bệ của tuabin (Stator)..................................................................................33

2.2.2 Buồng dẫn tuabin (Spiral casing)

.....................................................................34

2.2.3 Buồng hút (Draft tube)..........................................................................................36
2.2.4 Cánh hướng nước (Guide vanes and stay vanes)..................................................36


2.2.5 Bánh cơng tác (Runner).........................................................................................37
2.2.6 Trục tuabin (Shaft)................................................................................................39
2.3 Tính tốn thiết kế bánh công tác tuabin Francis

...............................................40

2.3.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế bánh cơng tác...................................................40
2.3.2 Các phương pháp thiết kế cánh BXCT của tuabin tâm trục..................................43
2.3.3 Thiết kế cánh BXCT tuabin tâm trục theo phương pháp một tọa độ....................44
2.3.4 Thiết kế cánh BXCT tuabin tâm trục theo phương pháp hai tọa độ.....................53
2.4 Ứng dụng phần mềm thiết kế bánh xe công tác của tuabin tâm trục.......................60
2.4.1 Các phần mềm ứng dụng thiết kế..........................................................................60
2.4.2 Giới thiệu về phần mềm CATIA...........................................................................62
2.4.3 Ưu điểm và hạn chế của phần mềm CATIA.........................................................65
2.5 Kết luận....................................................................................................................66

Chương 3: Tổng quan về công nghệ Reverse Engineering..................................68
3.1 Giới thiệu về công nghệ Reverse Engineering.........................................................68
3.1.1 Sự cần thiết của RE...............................................................................................69
3.1.2 Định ngĩa về RE....................................................................................................70
3.1.3 Quy trình ứng dụng RE.........................................................................................71
3.2 Các ứng dụng phổ biến của RE................................................................................74

3.3 Ưu điểm và nhược điểm của thiết kế ngược............................................................79
3.3.1 Ưu điểm của thiết kế ngược..................................................................................79
3.3.2 Nhược điểm của thiết kế ngược............................................................................79
3.4 Nghiên cứu ứng dụng RE.........................................................................................79
3.4.1 Ứng dụng phương pháp đo tiếp xúc......................................................................79
3.4.2 Ứng dụng phương pháp đo không tiếp xúc...........................................................80
3.5 Một số phần mềm thông dụng trong RE..................................................................83
3.5.1 Phần mềm CATIA.................................................................................................84
3.5.2 Phần mềm Geomagic Studio.................................................................................84
3.5.2 Phần mềm Repidform XOR..................................................................................85
3.6 Ứng dụng RE để thiết kế biên dạng BXCT..............................................................88


3.6.1 Máy quét 3D ATOS I (2M)...................................................................................88
3.6.2 máy quét 3D Laser Faro........................................................................................91
3.7 Kết luận....................................................................................................................91

Chương 4: Ứng dụng kỹ thuật ngược thiết kế bánh cơng tác tua bin Francis..............93
4.1 Chu trình thiết kế BXCT tuabin tâm trục (tuabin Francis)......................................93
4.2 Thiết kế mơ hình 3D................................................................................................95
4.3 Áp dụng thiết kế BXCT tuabin tâm trục.................................................................99
4.3.1 Sự cần thiết phải thiết kế ngược............................................................................99
4.3.2 Các bước thực hiện khôi phục cánh tuabin trên CATIA....................................101
4.4 Kết luận..................................................................................................................113
Kết luận chung.............................................................................................................114
Tài liệu tham khảo........................................................................................................115


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1-1: Nhà máy thủy điện ở Lào................................................................................3

Hình 1-2: Sơ đồ nhà máy thủy điện.................................................................................4
Hình 1-3: Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu lịng sơng........................................................5
Hình 1-4: Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn.......................................................6
Hình 1-5: Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu tổng hợp..........................................................7
Hình 1- 6: Sơ đồ cột áp NMTĐ........................................................................................7
Hình 1-7: Xác định cột nước tubin phản lực có cột nước thấp và vừa.............................8
Hình 1-8: Xác định cột nước tubin phản lực có cột nước trung bình và cao...................9
Hình 1-9: Bố trí chung của một tua bin phản ứng.........................................................11
Hình 1-10: Tuabin hướng trục.......................................................................................13
Hình 1-11: Tuabin tâm trục đứng...................................................................................15
Hình 1-12: Tuabin hướng chéo......................................................................................15
Hình 1-13: tuabin cánh quay..........................................................................................16
Hình 1-14: Tuabin gáo...................................................................................................17
Hình 1-15: Tuabin tia nghiêng loại 2 vịi phun..............................................................18
Hình 1-16: tuabin xung kích 2 lần. ................................................................................19
Hình 1-17: Phân loại tuabin theo ns...............................................................................20
Hình 1-18: Phạm vi sử dụng cột nước và lưu lượng......................................................21
Hình 2-1: Khối nước m chảy qua BPHN (1), khe hở cánh (2) của bánh công tác.........29
Hình 2-2: Vịng bệ của tuabin (Stator)...........................................................................33
Hình 2-3: Buồng dẫn tuabin hay là buồng xoắn ..........................................................35
Hình 2-4: Buồng hút.......................................................................................................36
Hình 2-5: Cánh hướng nước...........................................................................................37
Hình 2-6: Bánh cơng tác (Runner) ................................................................................39
Hình 2-7: Trục tuabin.....................................................................................................40
Hình 2-8: Sơ đồ để chọn điều kiện dịng chảy và các thông số khác của BXCT
tuabintâm trục................................................................................................................42


Hình 2-9: Quan hệ Cur=f(S) và P=f(S)...........................................................................43
Hình 2-10: Chọn mặt khai triển của mặt xốy...............................................................45

Hình 2-11: Chọn mặt xoay thay thế mặt dịng...............................................................47
Hinh 2-12: Lưới ánh xạ..................................................................................................50
Hình 2-13: Đắp độ dày cánh..........................................................................................51
Hình 2-14: Bản vẽ thiết kế BXCT tuabin tâm trục........................................................52
Hình 2-15: Dựng profile trong mặt cắt kinh tuyến.........................................................59
Hình 2-16: Giao diện phần mềm khi khởi động của CATIA.........................................63
Hình 3-1: Sơ đồ chu kỳ phát triển sản phẩm..................................................................71
Hình 3-2: Sơ đồ ý tưởng của cơng nghệ RE..................................................................73
Hình 3-3: Quy trình lấy mẫu ơ tơ áp dụng cơng nghệ RE..............................................74
Hình 3-4: Cơng nghệ RE dựng mơ hình CAD cho các tác phẩm nghệ thuật ..............75
Hình 3-5: Ứng dụng cơng nghệ kỹ thuật ngược lấy mẫu hoa văn thủ cơng..................75
Hình 3-6: Ứng dụng công nghệ kỹ thuật ngược để thiết kế lại ....................................76
Hình 3-7: Ứng dụng RE thiết kế lại, cải tiến mẫu mã sản phẩm....................................76
Hình 3-8: Cơng nghệ thiết kế ngược trong khảo cổ học ...............................................77
Hình 3-9: Ứng dụng thiết kế đảo chiều để tạo răng hàm...............................................77
Hình 3-10: Ứng dụng cơng nghệ kỹ thuật ngược tạo mảnh sọ não dùng Trong
y học. .............................................................................................................................77
Hình 3-11: Ứng dụng cơng nghệ kỹ thuật ngược trang phúc và phim .........................78
Hình 3-12: Cấu tạo máy CMM......................................................................................80
Hình 3-13: Máy quét laser..............................................................................................82
Hình 3-14: Máy quét COMET Measuring system.........................................................83
Hình 3-15: Quy trình làm việc trên Repidform Redesign XOR ....................................85
Hình 3-16: Sơ đồ công nghệ kỹ thuật ngược trên Repidform XOR..............................86
Hình 3-17: máy quét 3D ATOS I (2M)..........................................................................88
Hình 3-18: Khả năng linh hoạt của máy........................................................................90
Hình 3-19: Máy quét đo Faro Focus 3D........................................................................91
Hình 4-1: Chu trình thiết kế cho 1 kiểu đối tượng tua bin và một cụm chi tiết.............93


Hình 4-2: Xây dựng mơ hình 3d và cơng nghệ gia cơng bánh cơng tác tua bin............94

Hình 4-3: Máy qt 3D FARO.......................................................................................95
Hình 4-4: Trong mơi trường CAM có modul xử lý biên dịch các lệnh gia cơng...........97
Hình 4-5: Kết quả của lập trình CAM trợ giúp gia cơng là xuất ra các NC file............98
Hình 4-6: BXCT bị mài mịn.......................................................................................100


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1: Số vòng quay đồng bộ..................................................................................10
Bảng 1-2: phân loại tuabin theo ns.................................................................................20
Bảng 1-3: Số vòng quay đặc trưng theo ns.....................................................................21
Bảng 1-4: Phạm vi sử dụng của các tuabin....................................................................23
Bảng 1-5: So sánh sự khác biệt giữa tuabin Francis và tuabin Kaplan..........................25
Bảng 2-1: Bảng kích thước vịng bệ (đơn vị Cm)..........................................................33
Bảng 2-2: Góc ơm của cánh trong hình chiếu bằng, ký hiệu là , được chọn theo
ns và H...........................................................................................................................41
Bảng 2-3: Độ dày profile chất lượng cao, phân bố trên mặt nón khai triển. ..............50


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
H= Cột áp tuabin
[m]
Htt= cột nước tính tốn
[m]
Hmax= Cột áp lớn nhất
[m]
Hmin= Cột áp nhỏ nhất
[m]
N= Công suất của trạm
[kW, MW]
Z= Số tổ máy

P= Công suất
[kW, MW]
= Góc
Z= Cao trình mặt nước
[m]
V= vận tốc tại mặt cắt ra của ống hút.
[m/s]
= Trọng lượng riêng của nước
[Kg/m3]
Q= Lưu lượng
[m3/s]
Ndc= Cơng suất dịng chảy
[kW]
NT= Cơng suất trên trục tuabin
[kW]
= Hiệu suất của tuabin
[%]
– Hiệu suất thủy lực.
[%]
góc ơm của cánh trên mặt nón.
= góc ơm của cánh trên hình chiếu bằng.
Hệ số chèn dịng.
độ dày cánh.
f= tần số
[Hz]
g= gia tốc trọng trường
[m/s2]
= là tốc độ trục quay.
[Rad/s]
R= là khoảng cách từ điểm đang xét đến trục quay.

[m]
⃗ = là hướng tiếp tuyến với vòng tròn tâm trục quay, bán kính
Z1= Số cánh bánh xe cơng tác.
D= Đường kính bánh xe cơng tác
[m]
ns= Số vịng quay
[v/ph]
ni = Số vịng quay quy dẫn
[v/ph]
Qi = Lưu lượng quy dẫn
[m3/s]
= Lưu lượng nguyên tố
[m3/s]
B= áp suất khí trời.
Zx= khoảng cách từ tiết diện x-x.
[m]
hệ số xâm thực tuabin.
Hs = là khoảng cách từ tâm cánh hướng đến hạ lưu.
[m]
K và
= hệ số dư trữ ( hệ số an toàn).
hệ số xâm thực tổ máy.
HSTM= chiều cao hút thực tế của tổ máy.
[m]
t= thời gian làm việc của tuabin.
[s]
K0=hệ số chịu mài mòn của vật liệu.
M= mật độ các hạt.

[R].



M0= Momen ngoại lực tác dụng lên khối nước.
⃗⃗⃗ = Vận tốc tương đối tại điểm 1.
⃗⃗⃗ = Vận tốc tương đối tại điểm 2.
= Vận tốc thẳng góc 1.
⃗ = Vận tốc chảy ra thẳng góc tại điểm 1
Vw= Vận tốc tại đầu ra.
Cu= Vận tốc tại hướng tiếp tuyến
Cm= Vận tốc trên đường dòng

[Kg.m]
[m/s]
[m/s]
[m/s]
[m/s]
[m/s]
[m/s]
[m/s]


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BXCT= Bánh xe công tác.
NMTĐ= Nhà máy thủy điện.
Rpm= Revolutions per minute (Vòng trên phút).
CAD= Computer Aided Design.
CAM= Computer Aided Manufac turing.
NC= numerical control.
CNC= computerized numerical control.
CAE= Computer Aided Engineering.

FEA= Phân tích phần tử hữu hạn.
CATIA= Computer Aided three Dimensional Interactive Application.
CMM= Coordinate Measuring Machine.
NURBS= Non-uniform rational B-spline.
STL= Standard Template Library.
CAPP= Computer-aided Process Planning.
RE= Reverse - Engineering.
ATOS= Advanced Topometric Sensor.
ProE= Pro Engineering.
CIM= Computer Integrated Manufacturing.
RP= Rapid Propotyping.
CHDCND Lào: Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào.
NNG1 HPP= Nam Ngum 1 Hydropower Plant.
EDL= Electric Du Laos.
EGAT= Electricity Generating Authority of Thailand.
ASEAN= Asociation of Southeast Asian Nations.


LỜI CAM ĐOAN
Luận văn thạc sỹ “ Ứng dụng phần mềm nghiên cứu và thiết kế tuabin Francis”
được hoàn thành bởi tác giả Vamengher XAYLIAVUE, học viên của trường Đại học
Bách khoa Hà nội, chuyên ngành kỹ thuật cơ khí, lớp chế tạo máy 2014B, khóa học
2014- 2016. Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu riêng của tơi, ngồi phần
tài liệu để tham khảo đã được liệt kê.

Hà Nội, ngày 24 tháng 11 năm 2016
Tác giả luận văn

Vamengher XAYLIAVUE



LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Bùi Khơi, người hướng dẫn và
giúp đỡ tận tình từ định hướng đã dành công sức và thời gian cho việc hướng dẫn tôi
thực hiện luận văn. Một lần nữa xin chúc thầy và gia đình ln ln có sức khỏe và gặp
nhiều may mắn trong cuộc sống và trong công việc.
Tác giả bày tỏ lỏng biết ơn đối với các thầy cô trong Viện Sau đại học – Trường
đại học bách khoa Hà nội. Xin cảm ơn ban lãnh đạo Viện cơ khí – Trường Đại học
Bách khoa Hà nội, đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới bố mẹ, anh, chị em, bạn bè và các ban lãnh đạo
trong trường dạy nghề (Viện phát triển giáo dục dạy nghề Lào) đã giúp đỡ và tạo mọi
điều kiện cho tôi đi học để nâng cao kiến thức để trở lại giảng dạy và đào tạo cán bộ kỹ
thuật của đất nước Lào.
Do năng lực bản thân còn hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi sai sót, tác giả
rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, các học viên, cùng đồng
nghiệp và các nhà khoa học.

Hà Nội, ngày 24 tháng 11 năm 2016
Tác giả luận văn

Vamengher XAYLIAVUE


1. Lý do chọn đề tài
Thủy điện là nguồn năng lượng sạch. Năng lượng sạch là vấn đề đang được thế
giới quan tâm hơn lúc nào hết. Lào là đất nước có tiềm năng thủy điện khá lớn nhưng
việc khai thác cịn hạn chế. Trong khi đó cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nhu
cầu về nguồn năng lượng ngày càng lớn. Một trong những thiết bị quan trọng chủ yếu
của nhà máy thủy điện là tuabin thủy lực. Nghiên cứu và làm chủ thiết kế, làm chủ
công nghệ chế tạo tuabin thủy lực là nhiệm vụ quan trọng để phát triển thủy điện nói

chung và xây dựng các nhà máy thủy điện nói riêng.
Bánh xe cơng tác là bộ phận chủ yếu của tuabin thủy lực. Việc tính tốn, thiết kế
BXCT phức tạp, khó khăn, mất nhiều thời gian. Trong bối cảnh nền kinh tế thị trường
toàn cầu hóa và hội nhập, sự cạnh tranh trên thị trường ngày càng khốc liệt. Để có sức
cạnh tranh, các cơ sở nghiên cứu, chế tạo, sản xuất cần tạo ra sản phẩm với chất lượng
tốt, giá thành rẻ, đáp ứng nhanh nhu cầu đa dạng của khách hàng. Đối với ngành thủy
điện việc nghiên cứu, thiết kế tuabin thủy lực, BXCT và các thiết bị của tuabin thủy lực
tại Lào cịn hạn chế, khó khăn,trong khi trên thế giới, đặc biệt ở các nước công nghiệp
phát triển đã ở trình độ cao với các sản phẩm là các nhà máy thủy điện hiện đại.
Học tập nghiên cứu để khai thác thành tựu khoa học kỹ thuật của thế giới là con
đường phù hợp để phát triển thủy điện nói chung cũng như làm chủ tính tốn thiết kế
các thiết bị của NMTĐ, tuabin thủy lực, BXCT nói riêng.
Cùng với sự phát triển không ngừng của ngành khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy
các nhà sản xuất tìm đến một cách phương pháp để thiết kế sản phẩm, để rút ngắn thời
gian đó là cơng nghệ thiết kế ngược 3D được phát triển một cách mạnh mẽ. Do đó việc
nghiên cứu, thiết kế, chế tạo BXCT để tạo ra những chi tiết cho nhà máy thủy điện
cũng là một việc rất quan trọng và cần thiết, bởi vì BXCT là một bộ phận quan trọng
nhất của tuabin.
Ứng dụng kỹ thuật thiết kế ngược có thể khai thác những thành tựu tiên tiến của
thế giới bằng việc thết kế theo mẫu sản phẩm là BXCT đã được nghiên cứu, chế tạo ở
các nước có nền khoa học cơng nghệ hàng đầu của thế giới. Qua nghiên cứu khảo sát,
tuabin tâm trục (tuabin Francis) là một trong các loại tuabin thủy lực được ứng dụng


phổ biến trong các NMTĐ và phù hợp với điều kiện khai thác thủy điện ở Lào. Các
nhà máy thủy điện tại Lào sử dụng tuabin Francis là phổ biến. Bởi vậy ứng dụng kỹ
thuật ngược để thiết kế BXCT theo mẫu cho phép rút ngắn thời gian, khai thác được
sản phẩm tối ưu của thế giới khi cần thiết kế chế tạo thiết bị thay thế, phục hồi thiết bị
hỏng hóc do vận hành.
Mặc khác phương pháp này cũng cho phép áp dụng để thiết kế, chế tạo sản

phẩm mới dựa trên bản thiết kế mẫu nhằm xây dụng NMTĐ tại Lào với điều kiện khai
thác và công suất khai thác tương ứng phù hợp. Trên cơ sở đã phân tích tác giả đã chọn
đề tài luận văn “Ứng dụng phần mềm nghiên cứu và thiết kế tuabin Francis”.
2. Mục đích và đối tượng nghiên cứu
Mục đích là trong quá trình nghiên cứu ứng dụng phần mềm thiết kế BXCT
xong em có thể nâng cao kiến thức để ứng dụng trong nước CHDCND Lào nói chung
và ngành học nói riêng để phục vụ nghiên cứu và đào tạo cán bộ kỹ thuật cho ngành
thủy điện. Ngành năng lượng thủy điện của Lào hiện nay đang đòi hỏi phát triển mạnh
với mục tiêu đáp ứng nhu cầu trong nước và trong tương lai Lào sẽ trở thành nguồn
Battery trong các quốc gia ASEAN.
3. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế BXCT với việc ứng dụng
phần mềm catia, và thiết bị hiện đại thiết kế theo mẫu BXCT. Từ dữ liệu quét hình
mẫu sản phẩm bằng thiết bị hiện đại, áp dụng phần mềm thiết kế mạnh để xây dụng
bản vẽ 3D cho sản phẩm thiết kế là BXCT. Từ đó cho phép nhận được bản vẽ kỹ thuật
của BXCT phụ vụ cho nghiên cứu chế tạo.
4. Tóm tắt nội dung đề tài
Nội dung luận văn bao gồm có 4 chương cơ bản như sau:

Chương 1: Tổng quan về tuabin
Nghiên cứu tổng quan về năng lượng thủy điện là một nguồn năng lương sạch,
không ô nhiễm môi trường, đã được khai thác từ lâu đời và đang được phát triển với
trình độ cao ở các nước có nền cơng nghiệp và trình độ khoa học kỹ thuật tiên tiến.


Nghiên cứu tổng quan về tuabin thủy lực các bộ phận chủ yếu của NMTĐ nói
chung và tuabin thủy lực nói riêng.

Chương 2: Cơ sở thiết kế bánh cơng tác tuabin tâm trục (tuabin
Francis)

- Trình bày về cấu trúc và các nguyên lý hoạt động của tuabin tâm trục.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế tuabin Francis.

Chương 3: Tổng quan về cơng nghệ Reverse Engineering
Trình bày về cơng nghệ kỹ thuật ngược có nghĩa là q trình nhân bản một vật
thể, một bộ phận hoặc một sản phẩm hồn chỉnh có sẵn mà khơng có sự trợ giúp của
bản vẽ, tài liệu hay mơ hình máy tính. Về bản chất thiết kế ngược là q trình sao chép
một sản phẩm đã được sản xuất nhờ khả năng sao chép hình ảnh của một vật thể thành
dữ liệu CAD 3D. Thiết kế ngược liên quan đến việc qt hình, số hóa vật thể thành
dạng điểm, đường và bề mặt 3D. Giới thiệu một số phần mềm để ứng dụng cho công
ngệ thiết kế ngược như: Catia, Solidwork, Geomagic Studio, Repidform XOR,
MasterCAM và máy quét 3D như: máy quét ATOS I, máy quét Faro vv...

Chương 4: Ứng dụng kỹ thuật ngược thiết kế bánh công tác tua bin
Francis
Chương 4 trình bày về các ứng dụng kỹ thuật ngược và chu trình để thiết kế
BXCT của tuabin tâm trục.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
5.1 Ý nghĩa khoa học
Ứng dụng phần mềm nghiên cứu thiết kế sản phẩm dựa trên kỹ thuật thiết kế
ngược là hướng nghiên cứu phù hợp. Kết quả nghiên cứu áp dụng thiết kế BXCT
tuabin Francis là cơ sở để hoàn thiện và mở rộng nghiên cứu thiết kế tuabin Francis.
Đồng thời kết quả góp phần làm phong phú và phát triển kỹ thuật thiết kế ngược trong
thiết kế cơ khí.


5.2 Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng thực tiến để triển khai thiết kế chế tạo sản
phẩm theo mẫu. Đồng thời kết quả nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo và kinh
nghiệm trong giảng dạy, đào tạo cán bộ kỹ thuật.



Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ TUABIN THỦY LỰC
1.1. Tình hình phát triển thủy điện ở Lào
Trong những năm 1960, ngành năng lượng sản xuất điện tại Lào không đủ để đáp
ứng nhu cầu quốc gia. Chính phủ Cộng hịa dân chủ nhân dân Lào (CHDCND) đã cố
gắng để đáp ứng nhu cầu phát triển các địa phương nhờ vay điện từ Thái Lan. Một nghiên
cứu khả thi được trình bày vào năm 1962 là kế hoạch chi tiết đầu tiên phác thảo dự án
Nam Ngum 1. Nghiên cứu được đề xuất có thể đóng góp để phát triển thuỷ điện, chống lũ
và tưới tiêu. Dự án đã được đón nhận bởi chính phủ Lào và nhiều tổ chức quốc tế, và kế
hoạch xây dựng đã được hoàn thành vào năm 1968. Ba nghiên cứu tính khả thi khác
nhau đã được thực hiện để vạch ra từng giai đoạn của dự án, và ba quỹ riêng biệt đã được
thành lập để tài trợ cả ba giai đoạn của dự án Nam Ngum 1. Mười quốc gia đã hỗ trợ tài
chính để chi trả cho việc xây dựng các dự án.
Sông Nam Ngum là một trong những con sông lớn ở Lào. Nó cung cấp một tiềm
năng thủy điện lên đến 1.600 MW. NNG1 HPP có cơng suất lắp máy là 150 MW. Trong
năm 2003-2004, một dự án phục hồi chức năng được thực hiện trên hai tổ máy trong
NNG1 HPP và nó đã tăng cơng suất lắp đặt của các tổ máy. Hiện nay, các nhà máy thủy
điện NNG1 đã đạt công suất 155 MW. Từ Thủ đô Viêng Chăn đến Nhà máy NNG1 HPP
khoảng 90 km, nằm trên phía Bắc thuộc tỉnh Viêng Chăn. Dự án xây dựng nhà máy thủy
điện NNG1 đã được phát triển thành 3 giai đoạn như sau :
Giai đoạn 1: NNG1 HPP được khởi công vào năm 1968 và được đưa vào hoạt
động năm 1971 với chi phí 28 triệu USD. Các cơ sở trong giai đoạn này bao gồm một
đập bê tông trọng lực, một nhà máy điện ở chân đập với hai tổ máy 15 MW và chuẩn bị
cho ba tổ máy tiếp theo. Các tổ máy cung cấp cho các đường dây truyền tải mạch điện áp
cao duy nhất EDL, với khả năng truyền tải 115 kV, từ trạm biến áp tại Phonetong, Thủ đô
Viêng Chăn bán sang lưới EGAT tại trạm biến áp (Nongkhai,Thái Lan).
Giai đoạn II: NNG1 HPP bắt đầu hoạt động vào năm 1976 và được đưa thành
công vào năm 1978 với chi phí 49 triệu USD. Các cơ sở trong giai đoạn này bao gồm lắp
đặt đập tràn, đường ống dẫn nước mới và cửa nhận nước, một phần mở rộng của nhà máy

1


để chứa ba tổ máy phát điện mới 40 MW, kết nối với đường dây mạch điện áp cao đôi
EDL, với khả năng truyền tải 115 kV, từ trạm biến áp tại Phonetong, Thủ đô Viêng Chăn
bán sang lưới điện EGAT tại Udone 2, trạm biến áp (Thái Lan).
Giai đoạn III: NNG1 HPP bắt đầu hoạt động vào năm 1983 và được đưa thành
cơng vào năm 1984 với chi phí 20 triệu USD. Các tổ máy phát điện 40 MW đã được lắp
đặt để sử dụng đầy đủ các cơ sở tiềm năng thủy điện đã được tính tốn. Sau khi hoàn
thành giai đoạn này, việc sản xuất năng lượng trung bình hàng năm là 865 GWh.
Hiện nay, ngành năng lượng thủy điện của Lào đang phát triển mạnh. Thủy điện
được xem như một nguồn năng lượng hiệu quả tại Lào trong đó có một tiềm năng thủy
điện trên lý thuyết khoảng 26,500MW trừ các dịng chính sơng Mêkơng. Trong số này,
khoảng 18,000MW là khai thác về mặt kỹ thuật, với 12,500MW ước tính của dịng chính
sơng Mekong. Khoảng 15% tiềm năng thủy điện ở đây đã được phát triển trong 30 năm
qua, nhưng theo chính sách của chính phủ hiện nay tốc độ phát triển sẽ thúc đẩy để cấp
điện cho các nền kinh tế phát triển nhanh chóng của khu vực. Vào năm 1996 tại cơ quan
lập pháp thứ 6, Chính phủ Lào đặt mục tiêu giảm nghèo nhằm thốt khỏi nhóm nước kém
phát triển vào năm 2020 và một trong những yếu tố thúc đẩy Lào thành một nguồn năng
lượng của ASEAN. Các hệ thống kết nối, lưới điện, các nước ASEAN đã có chính sách
phát triển và kết nối hệ thống của Công ty, lưới điện. Ngành điện tại Lào phục vụ hai ưu
tiên quốc gia quan trọng: (1) Thúc đẩy kinh tế và tiến bộ xã hội bằng cách cung cấp một
nguồn năng lượng trong nước đáng tin cậy và giá cả phải chăng; (2) Thu được ngoại tệ từ
xuất khẩu điện. Các ngành điện, và đặc biệt là thủy điện, đã trở thành một đóng góp quan
trọng vào tăng trưởng kinh tế của Lào và các nỗ lực xóa đói giảm nghèo quốc gia. Kể từ
năm 2008, xuất khẩu điện lên tới khoảng 30% trong tổng giá trị sản phẩm xuất khẩu của
Lào. Hiệp định cho xuất khẩu thủy điện trong tương lai đã được đưa ra với Thái Lan, Việt
Nam và Campuchia.

2



Hình 1-1: Nhà máy thủy điện ở Lào
1.2 Tuabin thủy lực
Tuabin thủy lực là một bộ phận quan trọng nhất trong NMTĐ, nhiệm vụ chính là
chuyển đổi thủy năng thành cơ năng làm quay rotor máy phát và sinh ra điện năng. Bằng
sự thay đổi tốc độ nó quyết định cơng suất của tổ máy. Là một thiết bị có cơ cấu phức
tạp, trọng lượng và kích cỡ lớn, tuabin địi hỏi phải có độ bền cao, vận hành ổn định trong
thời gian dài. Tuổi thọ vận hành khoảng 40 năm, thời gian đại tu 6 năm, trung bình vận
hành khoảng 3,000 giờ /năm.
Tuabin thủy lực bao gồm 2 phần chính: Rotor tuabin gồm có BXCT được nối với
trục tuabin thông qua khớp nối truyền động momen xoắn, trục, ổ hướng và ổ chèn trục.
Stator tuabin gồm có vành đáy tuabin để đỡ trục dưới cánh hướng, các vành làm kín,
vành stator tuabin, bộ cánh hướng dịng và bộ ống xả, buồng xoắn.
1.2.1 Lịch sử phát triển của tuabin Francis
Hiện nay ngành năng lượng học đang phát triển mạnh. Người ta tích cực tìm kiếm
những nguồn năng lượng khác nhau để sử dụng cho các ngành kinh tế. Trong đó năng
lượng truyền thống: than, dầu, khí đốt, hạt nhân, thủy điện được coi là các dạng năng
lượng cơ bản, còn năng lượng mặt trời và năng lượng gió, năng lương thủy triều và năng
lượng thủy điện cực nhỏ là những dạng năng lượng mới. Thủy năng- năng lượng của
dòng chảy sông suối là một dạng năng lượng được con người sử dụng từ rất lâu. Hàng
3


nghìn năm trước ở các nước như: Mỹ, Ai Cập, Ấn Độ, Trung Quốc và các nước khác.
Người ta đã dùng bánh xe nước đơn giản sử dụng động năng của dòng chảy. Tuy nhiên,
mới tới thế kỳ thứ XVI thì việc sử dụng năng lượng nước mới tương đối rộng rãi và bánh
xe nước mới có những cái tiến lớn và phát triển đến ngày nay.
Еuabin Francis là một loại tuabin nước được phát triển bởi James B. Francis ở Lowell,
Nó là loại tuabin phản lực.

Tuabin Francis là một trong các loại tuabin nước được sử dụng nhiều nhất hiện
nay. Chúng cột nước từ 30-700 m và chủ yếu được sử dụng để sản xuất năng lượng điện.
Các máy phát điện thường sử dụng loại tuabin có sản lượng điện dao động chỉ từ một vài
kW đến 800 MW, mặc dù cịn có thể thấp hơn. Đường ống áp lực (ống đầu vào) đường
kính là từ 0.91 – 10.06 m. Phạm vi tốc độ của tuabin là 75-1000 rpm. Cửa Wicket xung
quanh bên ngoài của tuabin quay bánh xe cơng tác kiểm sốt tốc độ của dịng chảy qua
tuabin cho mức sản xuất năng lượng khác nhau. Tuabin Francis gần như luôn luôn gắn
với trục thẳng đứng để tách nước từ các máy phát điện. Điều này cũng tạo điều kiện lắp
đặt và bảo trì.

/>=tuabin+nuoc#imgrc=yPSVgkv5zmbZ6M%3A
Hình 1-2: Sơ đồ nhà máy thủy điện
Máy thủy lực là danh từ chung chỉ các thiết bị dùng để chuyển hóa năng lượng
chất lỏng thành cơ năng trên các cơ cấu làm việc của máy (BXCT, pittông….) hay ngược
lại. Tuabin nước được lắp đặt tại NMTĐ để chuyển hóa năng lượng nước thành cơ năng
4


và cơ năng được chuyển hóa thành điện năng nhờ máy phát điện, khi nước từ thượng lưu
chảy theo đường dẫn tới tuabin rồi chảy ra hạ lưu.
Nhà máy thủy điện có nhiều ưu điểm:
- Hiệu suất của NMTĐ có thể đạt dược rất cao so với nhà máy nhiệt điện.
- Thiết bị đơn gian, đễ tự động hóa và có khả năng điều khiển từ xa.
- Ít sự cố và có ít người vận hành.
- Có khả năng làm việc ở các chế độ phụ tải thay đổi.
- Thời gian mở máy và dừng máy ngắn.
- Không làm ô nhiễm môi trường.
Mặt khác, nếu khai thác thủy năng tổng hợp, kết hợp với tưới tiêu, giao thông và
phát điện thì giá thành điện sẽ giảm xuống giải quyết triệt để hơn vấn đề của thủy lợi và
môi trường sinh thái của một vùng rộng lớn quanh đó.

1.2.2 Sơ đồ các kiểu nhà máy thủy điện
Trong thực tế có 3 phương pháp tập trung năng lượng của dòng nước tương ứng
với 3 sơ đồ nhà máy thủy điện (hình:1.3,1.4,1.5) nhà máy thủy điện kiểu lịng sơng, nhà
máy thủy điện đường dẫn, nhà máy thủy điện tổng hợp.
a. Nhà máy thủy điện kiểu lịng sơng (hay sau đập)

/>nam+ngum+1+HHP#tbm=isch&q=nam+ngum+1
Hình 1-3: Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu lịng sơng
5


Để tập trung năng lượng, người ta dùng đập cột áp H là độ chênh mực nước trước
và sau đập (tương ứng thượng và hạ lưu). Đập có hồ chứa nước lớn để điều tiết lưu lượng
của dịng sơng. Nhà máy thủy điện đặt sau đập đối với cột nước lớn hoặc là một bộ phận
của đập đối với cột nước nhỏ. Các trạm thủy điện với phương pháp tập trung năng lượng
bằng đập gọi là nhà máy kiểu lòng sơng hay sau đập. Nó áp dụng cho các con sơng ở
đồng bằng, trung du nơi có độ đốc lịng sông nhỏ, lưu lượng sông lớn. Trong thực tế,
chiều cao của đập bị hạn chế bởi kỹ thuật đắp đập và diện tích bị ngập.
b. Nhà máy thủy điện kiểu đƣờng dẫn
Nước được ngăn bởi một cột nước thấp rồi chảy theo đường dẫn (kênh, máng, tuy
nen, ống dẫn) đến nhà máy thủy điện. Ở đây cột áp cơ bản là do đường dẫn tạo nên, còn
đập chỉ để ngăn nước lại để đưa vào đường dẫn. Kiểu NMTĐ này thường dùng ở các
sơng suối có độ dốc lịng sơng lớn và lưu lượng nhỏ.

Hình 1-4: Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn
c. Nhà máy thủy điện tổng hợp
Năng lượng nước tập trung là nhờ đập và cả đường dẫn. Cột áp của trạm gồm có 2
phần: một phần do đập tạo nên, phần còn lại do dường dẫn tạo nên. Nhà máy kiểu này
được dùng cho đoạn sơng mà ở trên sơng có độ dốc nhỏ thì xây đập ngăn nước và hồ
chứa, cịn ở phía dưới có độ dốc lớn thì xây đường dẫn.

6


Hình 1-5: Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu tổng hợp
1.2.3 Các thơng số của dịng chảy và tuabin nƣớc
a. Cột nƣớc toàn phần
Cột nước toàn phần (cột áp, hay còn gọi là cột nước Brutto) Htp, của nhà máy
được xác định bằng hiệu độ cao giữa thượng lưu (tiết diện A-A) và hạ lưu (tiết diện B-B)
khi tổn thất qua tuabin bằng không. Khi tubin làm việc, cột nước toàn phần được xác định
bằng hiệu năng lượng riêng toàn phần của dòng nước ở thượng lưu (A-A) và hạ lưu (BB). Cơng thức xác định cột nước tồn phần như sau:

Hình 1-6: Sơ đồ cột áp NMTĐ
7