Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng phần mềm nghiên cứu và thiết kế Tuabin Francis

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu và thiết kế tuabin Francis bằng phần mềm CATIA. Trình bày quy trình thiết kế ngược, tính toán và mô phỏng 3D chi tiết.

• Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Chế Tạo Máy
• Đề tài: Ứng Dụng Phần Mềm Nghiên Cứu Và Thiết Kế Tuabin Francis
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Tuabin Francis và ứng dụng phần mềm thiết kế

Tuabin Francis là một trong những loại tuabin thủy lực quan trọng nhất trong ngành công nghiệp điện nước. Luận văn thiết kế tuabin Francis bằng phần mềm tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển công nghệ thiết kế bánh công tác sử dụng các ứng dụng CAD/CAM hiện đại. Với sự phát triển của thủy điện ở Lào và các khu vực Đông Nam Á, nhu cầu cải tiến hiệu suất tuabin Francis trở nên vô cùng cấp thiết. Luận văn này cung cấp một hướng tiếp cận toàn diện về cấu trúc, nguyên lý hoạt động, và quy trình tính toán thiết kế bánh xe công tác của tuabin tâm trục. Đặc biệt, việc ứng dụng phần mềm CATIA giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế, nâng cao độ chính xác và hiệu quả công việc. Ngoài ra, luận văn còn khám phá công nghệ Reverse Engineering trong việc khôi phục và cải tiến thiết kế các cánh tuabin hiện có.

1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của tuabin Francis

Tuabin Francis bao gồm các bộ phận chính như vòng bệ (Stater), buồng dẫn tuabin (Spiral casing), cánh hướng nước (Guide vanes), bánh công tác (Runner), ruông hút, và trục tuabin. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự chuyển đổi năng lượng thủy lực thành năng lượng cơ học. Nước được dẫn qua các cánh hướng nước có thể điều chỉnh để tối ưu dòng chảy vào bánh công tác, tạo ra moment quay và cung cấp công suất cho phát điện.

1.2. Sự khác biệt giữa tuabin Francis và tuabin Kaplan

Tuabin Francis là tuabin phản lực với phạm vi sử dụng ở các nhà máy có cột nước vừa đến cao (từ 20-650 mét), trong khi tuabin Kaplan phù hợp với cột nước thấp và lưu lượng lớn. Sự khác biệt chính nằm ở thiết kế bánh công tác, góc cánh, và khả năng điều chỉnh. Tuabin Francis có hiệu suất cao hơn ở các điều kiện vận hành khác nhau.

II. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế bánh công tác

Thiết kế bánh công tác tuabin Francis dựa trên các nguyên lý cơ học chất lỏng, động lực học và lý thuyết tuabin. Quá trình thiết kế bắt đầu với việc xác định các thông số đặc trưng như lưu lượng, cột nước, tốc độ quay và công suất mong muốn. Các phương pháp tính toán truyền thống sử dụng phương pháp một tọa độ và phương pháp hai tọa độ để xác định hình dạng cánh. Việc ứng dụng phần mềm CATIA đã cách mạng hóa quy trình này, cho phép các kỹ sư mô phỏng 3D chính xác, kiểm tra lưu lượng dòng chảy, và tối ưu hóa thiết kế trước khi gia công thực tế. Các trạng thái dòng chảy trong bánh công tác bao gồm dòng chảy xoáy, dòng chảy hỗn hợp, và các vùng tách dòng cần được phân tích kỹ lưỡng.

2.1. Phương pháp thiết kế cánh bánh công tác theo một tọa độ

Phương pháp một tọa độ được áp dụng rộng rãi trong thiết kế cánh tuabin truyền thống. Phương pháp này giả định rằng các tham số dòng chảy thay đổi chủ yếu theo một hướng chính. Điểm mạnh của phương pháp này là tính toán nhanh chóng và đơn giản, tuy nhiên độ chính xác bị hạn chế. Kỹ sư cần xác định góc ôm cánh, độ dày profile, và bán kính cung cấp dựa trên các bảng tra và công thức thiết kế tiêu chuẩn.

2.2. Phương pháp thiết kế cánh bánh công tác theo hai tọa độ

Phương pháp hai tọa độ nâng cao hơn, xem xét sự thay đổi của các thông số dòng chảy theo hai hướng không gian. Phương pháp này cung cấp kết quả chính xác hơn 30-40% so với phương pháp một tọa độ. Việc sử dụng mô phỏng CFD kết hợp với thiết kế hai tọa độ cho phép tối ưu hóa hình dạng cánh để đạt hiệu suất tối đa và giảm tổn thất năng lượng.

III. Ứng dụng phần mềm CATIA trong thiết kế tuabin Francis

Phần mềm CATIA là một công cụ CAD/CAM mạnh mẽ được sử dụng rộng rãi trong ngành cơ khí và công nghiệp năng lượng. Trong thiết kế tuabin Francis, CATIA cho phép các kỹ sư tạo mô hình 3D chính xác của bánh công tác, vòng bệ, buồng dẫn nước, và các bộ phận khác. Ưu điểm chính của CATIA bao gồm khả năng mô phỏng cao, phân tích ứng suất, kiểm tra va chạm, và xuất bản vẽ kỹ thuật tự động. Phần mềm này hỗ trợ tích hợp với các module CFD để phân tích động lực học chất lỏng, giúp tối ưu hóa thiết kế dựa trên kết quả mô phỏng. Tuy nhiên, CATIA cũng có những hạn chế như chi phí cao, yêu cầu đội ngũ kỹ thuật giàu kinh nghiệm, và thời gian đào tạo dài. Bất chấp những thách thức này, CATIA vẫn là lựa chọn hàng đầu cho các công ty thiết kế tuabin hàng đầu thế giới.

3.1. Quy trình thiết kế 3D bánh công tác trên CATIA

Quy trình thiết kế 3D bắt đầu bằng việc nhập các thông số kỹ thuật của tuabin vào phần mềm. Tiếp theo, kỹ sư tạo lưới điểm (mesh) trên các mặt xoáy và mặt dòng để định nghĩa hình dạng cánh. CATIA cho phép tạo surface phức tạp từ các điểm này, sau đó kiểm tra chất lượng bằng các công cụ phân tích. Cuối cùng, mô hình được xuất ra dạng STL hoặc IGES để phục vụ gia công CNC hoặc mô phỏng CFD.

3.2. Ưu điểm và hạn chế của CATIA

Ưu điểm của CATIA bao gồm mô phỏng chính xác cao, công cụ thiết kế toàn diện, và khả năng tích hợp mạnh mẽ. Nó giúp rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm từ 6-12 tháng xuống còn 3-4 tháng. Tuy nhiên, hạn chế chính là giá cả tốn kém, yêu cầu máy tính hiệu năng cao, và đường cong học tập dốc.

IV. Công nghệ Reverse Engineering trong khôi phục thiết kế tuabin

Reverse Engineering (Thiết kế ngược) là công nghệ cho phép tái tạo mô hình 3D của một sản phẩm hiện có bằng cách quét và đo lường các chi tiết vật lý. Trong ngành tuabin, công nghệ này được sử dụng để khôi phục bản vẽ của các bánh công tác cũ, tối ưu hóa thiết kế dựa trên kinh nghiệm thực tế, hoặc sao chép công nghệ từ các tuabin hiệu suất cao. Các phương pháp quét phổ biến bao gồm quét 3D có tiếp xúc sử dụng cơ chế đo CMM, và quét 3D không tiếp xúc sử dụng máy quét laser Faro hoặc hệ thống ATOS. Ưu điểm của Reverse Engineering là chính xác cao, tiết kiệm thời gian thiết kế, và giảm rủi ro trong quá trình phát triển. Tuy nhiên, nhược điểm bao gồm chi phí thiết bị cao, yêu cầu kỹ năng chuyên môn sâu, và thời gian quét dài cho các chi tiết phức tạp.

4.1. Quy trình Reverse Engineering bánh công tác tuabin

Quy trình Reverse Engineering bắt đầu bằng quét 3D chi tiết bánh công tác cũ sử dụng máy quét laser Faro hoặc ATOS. Dữ liệu điểm (point cloud) được nhập vào CATIA hoặc phần mềm chuyên dụng như Geomagic Studio để lọc nhiễu và xây dựng surface. Tiếp theo, phân tích CFD được thực hiện để đánh giá hiệu suất của bánh công tác hiện tại. Cuối cùng, dựa trên kết quả phân tích, kỹ sư cải tiến thiết kế và tạo mô hình 3D mới tối ưu hơn.

4.2. Ứng dụng máy quét 3D Laser Faro và ATOS

Máy quét Laser Faro và hệ thống ATOS là những công cụ quét 3D không tiếp xúc có độ chính xác cao nhất. Laser Faro có thể quét các chi tiết phức tạp với độ chính xác đến ±0.5mm, trong khi ATOS sử dụng công nghệ ánh sáng cấu trúc để đạt chính xác ±0.1mm. Các máy quét này tự động tạo point cloud và tính toán các thông số hình học của bánh công tác mà không cần tiếp xúc vật lý.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tông quan vé tuabin théy he 1 1.1 Tình hình phát triển thủy điện ở Lào.2 Tuabin thủy lực.1 Lịch sử phát triển của tuabin Eraneis.2 Sơ đồ các kiếu nhà máy thủy điện.3 Các thông số của đông chây vá tuabim nước.3 Phân loại và phạm vi sử đụng của tuabin.1 Phân loại theo đạng năng lượng của dòng chảy qua tuabirL "1 1. Tuabin phản lực.H1 HH HH dd ri 12 1. Tuabin xung lực.2 Thân loại theo số vòng quay đặc trưng của tuabin.3 Phạm vi sứ dụng của tuabin. XE HH nhu Hee gưài 32 LA Tuabin Francis va tuabin Kaplan.

Sự khác biệt giữa tuabin Francis và tuabin Kaplan 24 LS Gti mm. 26 Chương 2: Cơ sở thiết kế bánh công tác tuabin tâm trục (tuabin Franets) 27 2.1 Cầu trúc và nguyên lý hoạt động của tuabim Francis. HH HH H HH H HH HH Ha nhe nỦ 27 2.2 Nguyên lý hoạt động của tuabin Francis 27 2.3 Các trạng thái của dòng chảy trong BXCT, 31 3.2 Các bộ phận chỉnh của tuabin Franeis. TH HH HH HH uc 32 3.1 Vòng bệ của tuabin (Stater).2 Budng dẫn tuabin (8piraÌ casing) .4 Cảnh hướng mước (Guiđe vanes and stay vanes), 36 2.

HH ng Hee 39 2.3 Tỉnh toán thiết kế bánh công tác tuabin Francis .1 Cơ sở lý thuyết tính toàn thiết kế bánh công tác.2 Các phương pháp thiết kế cánh BXCT của tuabin tâm trục - 4 2.3 Thiết kế cảnh BXCT tuabin tâm trục theo phương, phảp một tọa độ.4 Thiết kế cảnh BXCT tuabin tâm trục theo phương phap hai toa dé.4 Ứng dung phân mềm thiết kế bảnh xe công tác của tuabin tâm trục.1 Cée phan mém ting dung thiét ké.2 Giới thiệu về phân mẻm CATIA.3 Ưu điểm và hạn chế của phan mém CATIA. _ need 66 Chương 3: Tổng quan về công nghé Reverse Engineering.1 Giới thiệu về công nghệ Reverse Engineering.1 Sur can thiết của RE.3 Định ngĩa về RE.3 Quy trình ửng dụng RE,.2 Các ứng dụng phổ biến của RTI.3 Ưu điểm và nhược diễm của tuết kế ngược.1 Ưu điểm của thiết kế ngược.2 Nhược điểm của thiết kế ngược.4 Nghiên cửu ứng dụng RH.1 Ứng dụng phương pháp đo tiếp xúc.2 Ứng dụng phương pháp đo không tiếp xúc.5 Một số phần mễm thông dụng trong RE.1 Phan mém CATIA.2 Phan iném Gcomagie Studio.2 Phần mềm Repidfamn XOR.6 Ứng dụng RE để thiết kể biên đạn BXŒT.1 Máy quét 311 ATOS 1 TM).2 máy quét 3D Laser Faro. Chương 4: Ứng dụng kỹ thuật ngược thiết kế bánh céng tac tua bin Francis.1 Cha trình thiết kế BXCT 1uabim tâm truc (luabin Francis) 4.2 Thiết kế mô hình 3D.3 Áp dung thiết kế BXCT tuahin tâm trục.1 Sự cần thiết phải thiết kế ngược 4.2 Cáo bước thực hiện khôi phục cánh trabin trên CAT1A.4 Kết luận Kết luận chung. "Tài liệu tham khảo.

soi DANH MỤC CÁC BẰNG Bảng 1-1: Số vòng quay đồng bỏ. 13ảng 1-2: phân loại tuabin theo n. Lọ H n nh HH. HH he rgưec Bang 1-3: Số vàng quay đặc trưng theo nụ.

Bang 1-4; Pham vi sử dụng của các tuabim. voi nen Tăng 1-5: So sánh sự khác biệt giữa tuabin Francis va tuabin Kaplan. Bảng 2-1: Bảng kích thước vòng bệ (đơn vị Cm). Bảng 2-2: Góc ôm của cánh trong hình chiếu băng, ký hiệu là 8, được chọn theo n,vall.

Bang 2-3: Độ dây profile chất lượng cao, phản bỏ trên mặt nén khai triển. DANH MỤC CÁC HÌNH Hinh 1-1: Nha nay thoy dién 6 Lav. xu linh 1-2: Sơ để nhà máy thủy điện. ni The Hinh 1-3: So dé nhà máy thủy điện kiển lòng sông.

- - in Hình 1-4: Sơ dễ nhà máy thủy diện kiểu dường dẫn. eens Tlinh 1-5: So dé nhà máy thủy điện kiểu tổng hợp.cv Tình 1- 6: Sơ đỗ cột áp NMTB. Hình 1-7: Xác định cột nước tubin phần lực có cột nước thấp và vừa. Hình 1-8: Xác định côi nước tubin phan ire cé cdt nước trung bình và cao Tình 1-9: Bồ tí chúng của một tua bi phân ứng Hình 1-10: Tuabm hưởng trục.

Tình 1-11: Tuabin lâm trục đứng. Hình 1-12: Tuabin hướng chéo. "_ 1Iinh 1-13: tuabin cảnh quay. H nh gi ưee Tình 1-14: Tuabin gáo.

Hình 1-15: 'Tuabin tia nghiêng loại 2 với phụn,. Hee Tĩỉnh 1-16: tuabin xung kích 2 lẫn. Tình 1-17: Phân loại tuabin theo nụ Linh 1-18: Phạm vi sứ dựng cột nước và lưu lượng. Hình 2-1: Khối nước m chảy qua BPHN (1), khe hỡ cảnh (2) của bánh công tác.

Tình 3-2: Vòng bệ của tuabin (Slator). Hình 2-3: Budng dẫn tuabin hay là buồng xoắn. Tình 2-4: Ruông hút Hình 2-5: Cánh hướng nước. HH HH HH HH gu gerưe Tlinh 2-6: Banh công tác (Runner).

Tình 2-7: Trục tuabin - Hình 2-8: So dé dé chon điều kiện dòng chảy và các thông số khác của BXCT' tuabintâm trục. Hình 2-9: Quan hệ Cụ'=f(§) và P=fS). ác neeeeeree 3 Tinh 2-10: Chọn mặt khai triển của mặt xoäy.- à nnrrecreetrtrertirrrrrrrerirrrrrrev 45 Tuấn 2-11: Chọn riặt xoay thay thể mặt dòng.à Si ninuer r eirerie 47 Min 2-12: Lưới ảnh X.1t H010 50 Hinh 2-13: Đắp độ đày cánh. 51 Hình 2-14: Bán về thiết kế BXCT tuabin tm tre.

cceccccesccsccesesssessenseeeeeeeees SZ Tlinh 2-15: Dug profile trong mit cat kinh tuyến. "— 59 Hinh 2-16: Giao dién phần mềm khi khởi động cia CATIA 63 Hình 3-1: So dé chu ky phat trim sin phd. ccceccce ssssssssssssseeesseeesssssenimensene 71 Hình 3-2: Sơ đồ ý tưởng của công nghệ RE. 73 Tình 3-3: Quy trình lầy mẫu ô tô ap dung công nghệ RE 74 Hình 3-4: Công nghệ RE dựng mồ hinh CAD cho các tác phẩm nghệ thuật.

Tình 3-5: Ứng dung công nghệ kỹ thuật ngược lây mẫu hoa vẫn thủ công. Hình 3-6: Ứng dụng công nghệ kỹ thuật ngược dễ thiết kể lại. ¬ 1linh 3-7: Ứng dụng R1: thiết kế lại, cái tiến mẫu mã sẵn phẩm. Hinh 3-8: Công nghệ thiết kế ngược trong khảo có học Hình 3-9: Ứng dụng thiết kế đảo chiều để tạo răng hảm.

seo Tĩinh 3-10: [ng đựng công nghệ kỹ thuật ngược tạo mảnh sọ não đùng Trang y hoe - - - Linh 3-11: Ung dung công nghệ kỹ thuật ngược trang phúc vả phim. Hinh 3-12: Câu tao may CMM. Tình 3-13: Máy quết laser. Hình 3-14: Máy quét COMHT Measuring system.-cec Tình 3-15: Quy trình làm việc trén Repidform Redesign XOR Hình 3-16: Sơ dễ công nghệ kỹ thuật ngược trên Repidform XOR.

Tĩnh 3-17: máy quét 3D ATOS I(M). on eeeeierree Tình 3-18: Khá năng lình hoạt của máy. Hình 3-19: Máy quét đo Faro Foeus 3D. Xe Hinh 4-1: Chu trình thiết kế cho 1 kiển đổi tượng tua bin và một cựm chỉ tiết DANH MỤC CÁC HÌNH Hinh 1-1: Nha nay thoy dién 6 Lav.

xu linh 1-2: Sơ để nhà máy thủy điện. ni The Hinh 1-3: So dé nhà máy thủy điện kiển lòng sông. - - in Hình 1-4: Sơ dễ nhà máy thủy diện kiểu dường dẫn. eens Tlinh 1-5: So dé nhà máy thủy điện kiểu tổng hợp.cv Tình 1- 6: Sơ đỗ cột áp NMTB.

Hình 1-7: Xác định cột nước tubin phần lực có cột nước thấp và vừa. Hình 1-8: Xác định côi nước tubin phan ire cé cdt nước trung bình và cao Tình 1-9: Bồ tí chúng của một tua bi phân ứng Hình 1-10: Tuabm hưởng trục. Tình 1-11: Tuabin lâm trục đứng. Hình 1-12: Tuabin hướng chéo.

"_ 1Iinh 1-13: tuabin cảnh quay. H nh gi ưee Tình 1-14: Tuabin gáo. Hình 1-15: 'Tuabin tia nghiêng loại 2 với phụn,. Hee Tĩỉnh 1-16: tuabin xung kích 2 lẫn.

Tình 1-17: Phân loại tuabin theo nụ Linh 1-18: Phạm vi sứ dựng cột nước và lưu lượng. Hình 2-1: Khối nước m chảy qua BPHN (1), khe hỡ cảnh (2) của bánh công tác. Tình 3-2: Vòng bệ của tuabin (Slator). Hình 2-3: Budng dẫn tuabin hay là buồng xoắn.

Tình 2-4: Ruông hút Hình 2-5: Cánh hướng nước. HH HH HH HH gu gerưe Tlinh 2-6: Banh công tác (Runner). Tình 2-7: Trục tuabin - Hình 2-8: So dé dé chon điều kiện dòng chảy và các thông số khác của BXCT' tuabintâm trục. DANH MỤC CÁC HÌNH Hinh 1-1: Nha nay thoy dién 6 Lav.

xu linh 1-2: Sơ để nhà máy thủy điện. ni The Hinh 1-3: So dé nhà máy thủy điện kiển lòng sông. - - in Hình 1-4: Sơ dễ nhà máy thủy diện kiểu dường dẫn. eens Tlinh 1-5: So dé nhà máy thủy điện kiểu tổng hợp.cv Tình 1- 6: Sơ đỗ cột áp NMTB.

Hình 1-7: Xác định cột nước tubin phần lực có cột nước thấp và vừa. Hình 1-8: Xác định côi nước tubin phan ire cé cdt nước trung bình và cao Tình 1-9: Bồ tí chúng của một tua bi phân ứng Hình 1-10: Tuabm hưởng trục. Tình 1-11: Tuabin lâm trục đứng. Hình 1-12: Tuabin hướng chéo.

"_ 1Iinh 1-13: tuabin cảnh quay. H nh gi ưee Tình 1-14: Tuabin gáo. Hình 1-15: 'Tuabin tia nghiêng loại 2 với phụn,. Hee Tĩỉnh 1-16: tuabin xung kích 2 lẫn.

Tình 1-17: Phân loại tuabin theo nụ Linh 1-18: Phạm vi sứ dựng cột nước và lưu lượng. Hình 2-1: Khối nước m chảy qua BPHN (1), khe hỡ cảnh (2) của bánh công tác. Tình 3-2: Vòng bệ của tuabin (Slator). Hình 2-3: Budng dẫn tuabin hay là buồng xoắn.

Tình 2-4: Ruông hút Hình 2-5: Cánh hướng nước. HH HH HH HH gu gerưe Tlinh 2-6: Banh công tác (Runner). Tình 2-7: Trục tuabin - Hình 2-8: So dé dé chon điều kiện dòng chảy và các thông số khác của BXCT' tuabintâm trục. DANH MỤC CÁC BẰNG Bảng 1-1: Số vòng quay đồng bỏ.

13ảng 1-2: phân loại tuabin theo n. Lọ H n nh HH. HH he rgưec Bang 1-3: Số vàng quay đặc trưng theo nụ. Bang 1-4; Pham vi sử dụng của các tuabim.

voi nen Tăng 1-5: So sánh sự khác biệt giữa tuabin Francis va tuabin Kaplan. Bảng 2-1: Bảng kích thước vòng bệ (đơn vị Cm). Bảng 2-2: Góc ôm của cánh trong hình chiếu băng, ký hiệu là 8, được chọn theo n,vall. Bang 2-3: Độ dây profile chất lượng cao, phản bỏ trên mặt nén khai triển.

HH ng Hee 39 2.3 Tỉnh toán thiết kế bánh công tác tuabin Francis .1 Cơ sở lý thuyết tính toàn thiết kế bánh công tác.2 Các phương pháp thiết kế cánh BXCT của tuabin tâm trục - 4 2.3 Thiết kế cảnh BXCT tuabin tâm trục theo phương, phảp một tọa độ.4 Thiết kế cảnh BXCT tuabin tâm trục theo phương phap hai toa dé.4 Ứng dung phân mềm thiết kế bảnh xe công tác của tuabin tâm trục.1 Cée phan mém ting dung thiét ké.2 Giới thiệu về phân mẻm CATIA.3 Ưu điểm và hạn chế của phan mém CATIA. _ need 66 Chương 3: Tổng quan về công nghé Reverse Engineering.1 Giới thiệu về công nghệ Reverse Engineering.1 Sur can thiết của RE.3 Định ngĩa về RE.3 Quy trình ửng dụng RE,.2 Các ứng dụng phổ biến của RTI.3 Ưu điểm và nhược diễm của tuết kế ngược.1 Ưu điểm của thiết kế ngược.2 Nhược điểm của thiết kế ngược.4 Nghiên cửu ứng dụng RH.1 Ứng dụng phương pháp đo tiếp xúc.2 Ứng dụng phương pháp đo không tiếp xúc.5 Một số phần mễm thông dụng trong RE.1 Phan mém CATIA.2 Phan iném Gcomagie Studio.2 Phần mềm Repidfamn XOR.