Tổng quan nghiên cứu

Thủy điện đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu năng lượng quốc gia Việt Nam, chiếm khoảng 40% tổng sản lượng điện cả nước. Tính đến năm 2017, cả nước có khoảng 330 công trình thủy điện, trong đó có 194 công trình thủy điện nhỏ với công suất lắp đặt dưới 30 MW, tương đương 500-600 tổ máy đồng bộ đang hoạt động. Sau 5-10 năm vận hành, các thiết bị trong các nhà máy này thường xuống cấp, đặc biệt là bánh công tác tuabin – bộ phận chủ chốt chuyển đổi năng lượng dòng chảy thành năng lượng cơ học và điện năng. Việc phục hồi hoặc thay thế bánh công tác tuabin là nhu cầu cấp thiết nhằm duy trì hiệu suất và ổn định vận hành các tổ máy thủy điện nhỏ.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng quy trình gia công bánh công tác tuabin thủy điện công suất 700 kW cho nhà máy thủy điện Cốc San Hạ – Lào Cai, ứng dụng công nghệ quét 3D và công nghệ CAD/CAM/CNC nhằm nâng cao độ chính xác, hiệu quả gia công và kiểm soát chất lượng sản phẩm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bánh công tác tuabin kiểu Francis, vật liệu thép không gỉ và mác thép OCrl3Ni4Mo, sử dụng máy phay CNC 3 trục Kamioka VMC-850 và máy quét 3D ACTOS CORE 300.

Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc giảm chi phí nhập khẩu bánh công tác tuabin, nâng cao năng lực sản xuất trong nước, đồng thời góp phần phát triển bền vững ngành thủy điện nhỏ tại Việt Nam trong giai đoạn 2020-2030, phù hợp với quy hoạch phát triển năng lượng quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết thủy lực tuabin Francis: Giải thích quá trình chuyển đổi năng lượng nước thành cơ năng qua bánh công tác, bao gồm các thông số như lưu lượng, áp suất, tốc độ quay và hiệu suất tuabin.
  • Mô hình thiết kế ngược (Reverse Engineering): Sử dụng công nghệ quét 3D để thu thập dữ liệu hình học bánh công tác cũ, từ đó thiết kế lại hoặc phục hồi biên dạng chính xác.
  • Công nghệ CAD/CAM/CNC: Ứng dụng phần mềm thiết kế và lập trình gia công tự động trên máy CNC 3 trục nhằm đảm bảo độ chính xác cao và hiệu quả sản xuất.
  • Khái niệm về gia công cơ khí chính xác: Bao gồm lựa chọn dụng cụ cắt, thiết kế đồ gá, quy trình gá đặt và kiểm soát chất lượng sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu thập từ nhà máy thủy điện Cốc San Hạ – Lào Cai, bao gồm bánh công tác tuabin cũ hỏng, thông số kỹ thuật, vật liệu và thiết bị gia công.
  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn bánh công tác tuabin công suất 700 kW, vật liệu thép không gỉ OCrl3Ni4Mo, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và điều kiện vận hành thực tế.
  • Phương pháp phân tích: Kết hợp công nghệ quét 3D ACTOS CORE 300 để lấy dữ liệu hình học, phần mềm CAD/CAM để thiết kế và lập trình gia công, máy phay CNC 3 trục Kamioka VMC-850 để thực hiện gia công.
  • Timeline nghiên cứu: Từ năm 2018 đến 2019, bao gồm các giai đoạn khảo sát hiện trạng, thiết kế quy trình, thực nghiệm gia công, kiểm tra chất lượng và đánh giá kết quả vận hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng bánh công tác tuabin cũ: Các lá cánh bánh công tác bị mòn gần như hoàn toàn, nhiều vết lõm sâu trên vành moay ơ, không thể phục hồi bằng phương pháp truyền thống. (Hình 3-1, Hình 3-2)
  2. Lựa chọn dụng cụ cắt phù hợp: Dao phay cầu Ø16 WIDIN DB512160 được chọn do khả năng cắt tốt trên bề mặt cong phức tạp của lá cánh, nâng cao độ bền dụng cụ và giảm công đoạn xử lý sau gia công. (Hình 3-9)
  3. Thiết kế đồ gá gia công: Sử dụng kết hợp chốt tỷ điều chỉnh và phiến tỷ để định vị chính xác 6 bậc tự do cho lá cánh, đảm bảo độ ổn định và đồng đều giữa các mặt gia công. (Hình 3-17, Hình 3-18)
  4. Ứng dụng công nghệ quét 3D: Giúp kiểm soát chính xác kích thước sau gia công, phát hiện sai lệch so với thiết kế dưới 0.25 mm, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thời gian kiểm tra thủ công. (Bảng 4.1, Bảng 4.2)

Thảo luận kết quả

Việc áp dụng công nghệ quét 3D kết hợp CAD/CAM/CNC đã giải quyết được các khó khăn truyền thống trong gia công bánh công tác tuabin có hình dạng phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao. So với phương pháp gia công thủ công hoặc gia công trên máy CNC 5 trục đắt đỏ, phương pháp sử dụng máy CNC 3 trục kết hợp đồ gá chuyên dụng và công nghệ quét 3D cho phép giảm chi phí đầu tư, đơn giản hóa vận hành và vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm.

Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số gia công được kiểm soát trong phạm vi cho phép, đồng thời bánh công tác sau khi lắp đặt vận hành đạt hiệu suất trên 90%, tương đương với thiết kế ban đầu. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, quy trình này phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước, góp phần nâng cao năng lực công nghệ và giảm phụ thuộc nhập khẩu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ sai số kích thước sau gia công và bảng so sánh hiệu suất tổ máy trước và sau khi thay bánh công tác mới.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng quy trình gia công bánh công tác tuabin trên máy CNC 3 trục tại các nhà máy thủy điện nhỏ nhằm giảm chi phí và thời gian sản xuất, nâng cao độ chính xác sản phẩm. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: các đơn vị sản xuất cơ khí trong nước.
  2. Đầu tư trang thiết bị công nghệ quét 3D và đào tạo nhân lực vận hành để nâng cao năng lực kiểm soát chất lượng trong quá trình gia công và phục hồi bánh công tác. Thời gian: 12 tháng; chủ thể: các trung tâm kỹ thuật và trường đại học.
  3. Phát triển hệ thống đồ gá chuyên dụng kết hợp chốt tỷ điều chỉnh và phiến tỷ để đảm bảo độ ổn định và chính xác trong quá trình gia công các chi tiết phức tạp. Thời gian: 6 tháng; chủ thể: phòng thiết kế và sản xuất.
  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC và quét 3D cho các chi tiết cơ khí khác trong ngành thủy điện nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thời gian: 1-2 năm; chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp cơ khí.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà máy thủy điện nhỏ và vừa: Có thể áp dụng quy trình gia công bánh công tác tuabin để phục hồi hoặc thay thế thiết bị, giảm chi phí nhập khẩu và thời gian ngừng máy.
  2. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí chính xác: Nắm bắt công nghệ gia công bánh công tác tuabin phức tạp, nâng cao năng lực sản xuất và mở rộng thị trường.
  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học kỹ thuật: Tham khảo phương pháp ứng dụng công nghệ quét 3D và CAD/CAM/CNC trong thiết kế và gia công chi tiết cơ khí phức tạp.
  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Đánh giá tiềm năng phát triển công nghiệp hỗ trợ cho ngành thủy điện, thúc đẩy sản xuất trong nước và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn máy phay CNC 3 trục thay vì 5 trục để gia công bánh công tác?
    Máy CNC 3 trục có chi phí đầu tư thấp hơn, vận hành đơn giản và phù hợp với kích thước bánh công tác lớn khi kết hợp công nghệ hàn ghép. Mặc dù máy 5 trục gia công trực tiếp tốt hơn nhưng chi phí và kỹ thuật phức tạp hơn nhiều.

  2. Công nghệ quét 3D giúp gì trong quá trình gia công bánh công tác?
    Quét 3D cung cấp dữ liệu hình học chính xác của bánh công tác cũ, hỗ trợ thiết kế ngược và kiểm tra chất lượng sau gia công, giúp giảm sai số và thời gian kiểm tra thủ công.

  3. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác khi gá đặt phôi gia công?
    Sử dụng kết hợp chốt tỷ điều chỉnh và phiến tỷ để định vị 6 bậc tự do, đảm bảo phôi được cố định chắc chắn và đồng đều, giảm sai lệch trong quá trình gia công.

  4. Vật liệu bánh công tác có ảnh hưởng thế nào đến quá trình gia công?
    Vật liệu thép không gỉ OCrl3Ni4Mo có độ cứng và tính chống mòn cao, đòi hỏi dụng cụ cắt chuyên dụng và chế độ gia công phù hợp để đảm bảo độ bền dụng cụ và chất lượng bề mặt.

  5. Hiệu suất bánh công tác sau khi gia công và lắp đặt đạt được bao nhiêu?
    Hiệu suất đạt trên 90%, tương đương với thiết kế ban đầu, đảm bảo khả năng vận hành ổn định và hiệu quả của tổ máy thủy điện.

Kết luận

  • Thủy điện nhỏ chiếm tỷ trọng lớn trong cơ cấu năng lượng quốc gia, nhu cầu phục hồi và thay thế bánh công tác tuabin rất cấp thiết.
  • Luận văn đã xây dựng thành công quy trình gia công bánh công tác tuabin 700 kW cho nhà máy thủy điện Cốc San Hạ, ứng dụng công nghệ quét 3D và CAD/CAM/CNC trên máy phay CNC 3 trục.
  • Quy trình gia công đảm bảo độ chính xác cao, kiểm soát chất lượng hiệu quả, giảm chi phí và thời gian sản xuất so với phương pháp truyền thống.
  • Kết quả thực nghiệm và vận hành cho thấy hiệu suất tổ máy đạt trên 90%, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và vận hành thực tế.
  • Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi quy trình tại các nhà máy thủy điện nhỏ và phát triển công nghệ gia công cơ khí chính xác trong nước.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị sản xuất và nhà máy thủy điện nên phối hợp triển khai áp dụng quy trình, đồng thời đầu tư trang thiết bị và đào tạo nhân lực để nâng cao năng lực sản xuất trong nước.