Đăng ký thành viên

Phương pháp phục hồi tuabin Francis của Gilkes

Gilkes áp dụng công nghệ quét 3D cải tiến và mô hình hóa CAD để phục hồi một tuabin 90 năm tuổi (Ảnh st)

Công ty Gilkes (Vương Quốc Anh) đã áp dụng công nghệ quét 3D cải tiến, mô hình hóa CAD và nhiều vật liệu hiện đại để phục hồi một tuabin 90 năm tuổi. Giải pháp của họ không chỉ giúp giải quyết những thách thức bất ngờ mà còn nâng cao tính năng vận hành, đồng thời vẫn giữ được tính chất xác thực lịch sử bên trong một tòa nhà từ thế kỷ 18.

Các bánh xe công tác cũ và mới

Năm 2020, nhà chế tạo tuabin thủy điện Gilkes (Vương Quốc Anh) đã nhận nhiệm vụ tân trang các bộ phận của tuabin Francis 90 năm tuổi bị hư hại đặt tại Di sản thế giới New Lanark dọc theo Sông Clyde tuyệt đẹp ở xứ Scotland (Vương quốc Anh). Gilkes sẽ kể lại cách công ty lắp ráp lại tuabin thành một cỗ máy đang hoạt động và lý do tại sao cần phải hiện đại hóa các khía cạnh bằng các vật liệu và bộ phận hiện đại.

Những thách thức đáng kể nhất gặp phải trong quá trình phục hồi tuabin Francis có bánh xe công tác kép Boving 1931 tại Nhà máy New Lanark là gì?

Giống như mọi dự án hiện đại hóa khác, luôn có yếu tố chưa biết cho đến khi tháo dỡ thiết bị.

Trong trường hợp này khi tháo vỏ tuabin ra, người ta mới phát hiện rằng nhiều bộ phận chính của cỗ máy đã bị hư hỏng không thể sửa chữa. Một cánh dẫn hướng đã bị ăn mòn nghiêm trọng khiến nó đập vào một trong hai bánh xe công tác, làm vỡ cánh dẫn hướng bằng gang và làm hỏng bánh xe công tác. Do đó, cần phải làm mới và thay thế một lượng lớn các bộ phận. Tuy nhiên, do máy đã chế tạo từ lâu nên không có các bản vẽ chất lượng, đặc biệt là các mặt cắt bánh xe công tác và cánh dẫn hướng. Thiếu các bản vẽ có nghĩa là phải lập các bản vẽ và các mô hình mới.

Gilkes đã vượt qua những thách thức này bằng các giải pháp sáng tạo và độc đáo như thế nào?

Các kỹ sư của Gilkes bắt đầu quá trình tạo mô hình 3D bằng các kỹ thuật quét và mô hình hóa CAD (Ảnh st)

Các kỹ sư của Gilkes đã tiến hành kỹ thuật đảo ngược, bao gồm các kỹ thuật quét 3D, mô hình hóa CAD và gia công bằng máy năm trục. Để bắt đầu quá trình tạo mô hình 3D, Gilkes đã tiến hành thanh tra trực quan hai bánh xe công tác có sẵn để nhận dạng bánh xe công tác nào có tình trạng tốt hơn. Với các mảnh vụn, sự ăn mòn và hư hại trên nhiều cánh, công ty đưa ra quyết định quét 180° bánh xe công tác tốt nhất, với một lần quét tập trung vào hai cánh ít hư hại nhất. Cách tiếp cận chiến lược này đã đảm bảo độ chính xác trong việc sao chép hình dạng kích thước cánh hiện có.

Kích cỡ lớn của bánh xe công tác kết hợp với khoảng không tương đối nhỏ giữa các cánh đã tạo ra những thách thức cho quá trình quét. Để vượt qua những thách thức này, Gilkes đã sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau, bao gồm dùng sơn trắng mờ để tăng cường chiếu sáng laser, hiệu chỉnh tốc độ màn trập (bộ phận  có thể đóng mở cho phép ánh sáng đi qua trong một khoảng thời gian xác định) và sử dụng các chuyển động quét tinh tế hơn. Các biện pháp này rất quan trọng trong việc vượt qua những thách thức do các hạn chế vật lý của quá trình quét gây ra.

Gilkes sử dụng kết hợp phần mềm xử lý hậu kỳ quét và phần mềm CAD để tạo ra một mô hình 3D từ các bề mặt phát triển từ lưới (Ảnh st)

Đầu ra của quá trình quét là một lưới từ các điểm dữ liệu thu thập được. Sau đó, Gilkes sử dụng kết hợp phần mềm xử lý hậu kỳ quét và phần mềm CAD để tạo ra một mô hình 3D từ các bề mặt phát triển từ lưới. Quá trình làm sạch bao gồm việc loại bỏ các đỉnh nhọn nhỏ, khoảng cách hẹp và tiếng ồn tạo ra trong quá trình quét, tạo thành một cơ sở cho các bản phác thảo biên dạng cánh.

Do chiều dày cánh tuabin mỏng ở một số chỗ (chỉ tới 1mm), Gilkes đã triển khai một quy trình tỉ mỉ để tạo ra một bề mặt cánh trơn tru và chính xác. Quy trình này bao gồm việc tạo ra một đường dẫn dòng chảy của mặt phẳng kinh tuyến, chụp các biên dạng đỉnh và ổ trục và nhập một lưới quét của một cánh duy nhất vào mô hình 3D. Phương pháp tạo bề mặt đã sử dụng các bản phác thảo biên dạng cánh có nguồn gốc từ quy trình này, cho phép kiểm soát chính xác các đường viền và độ cong. Bước cuối cùng bao gồm việc tạo hoa văn cho một cánh duy nhất 18 lần và kết hợp nó với các biên dạng đỉnh và ổ trục để hoàn thiện mô hình 3D.

Các công nghệ này đã đóng góp như thế nào vào quá trình phục hồi và tính năng chung của tuabin?

Việc sử dụng các kỹ thuật thiết kế hiện đại trong suốt dự án này đã cho phép Gilkes đưa cỗ máy hoạt động trở lại, đồng thời kéo dài tuổi thọ của thiết bị và giảm thiểu nhu cầu bảo trì trong tương lai. 

Tháng 6/2022, việc hoàn thành công tác đưa vào vận hành tuabin đã đánh dấu một cột mốc quan trọng: tuabin sau tân trang cung cấp thêm khoảng 12% công suất. Sản lượng tăng thêm này phục vụ trực tiếp cho trung tâm du khách và khách sạn, còn phần điện dư được hòa vào lưới điện.

Sử dụng các kỹ thuật thiết kế hiện đại cho phép Gilkes đưa cỗ máy hoạt động trở lại, đồng thời kéo dài tuổi thọ của thiết bị (Ảnh st)

Quyết định quét bánh xe công tác đã đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được những kết quả này. Bằng cách sao chép chính xác kích thước hình dạng bánh xe công tác đã chứng minh, Gilkes đã loại bỏ nhu cầu phải phát triển một thiết kế bánh xe công tác mới từ đầu. Điều này không chỉ đẩy nhanh quá trình phục hồi mà còn đảm bảo tích hợp liền mạch các vật liệu và linh kiện hiện đại, góp phần vào hoạt động trơn tru lâu dài của tuabin. Điều quan trọng là việc sử dụng các công nghệ hiện đại này cho phép Gilkes giải quyết nhiều rắc rối đã tồn tại từ trước góp phần gây ra sự cố thảm khốc của tuabin và thiết kế hiệu quả để loại bỏ những thách thức đó.

Mặc dù gặp phải nhiều thách thức khác nhau trong suốt dự án, bao gồm phát hiện hư hại ban đầu, tạo mô hình CAD mới và khắc phục khó khăn về tiếp cận và lắp đặt, Gilkes đã hoàn thành dự án thành công trong khung thời gian mà khách hàng có thể chấp nhận. Việc tân trang này là minh chứng cho mối liên kết bền chặt giữa New Lanark và Sông Clyde, đảm bảo rằng các nhà máy tại New Lanark tiếp tục khai thác sức mạnh của dòng sông cho nhiều thế hệ sau. Các kỹ thuật hiện đại không chỉ làm sống lại một tuabin có thật trong lịch sử mà còn khẳng định vị thế của nó là nguồn năng lượng bền vững và hiệu quả trong tương lai có thể thấy trước.

Bằng cách nào Gilkes đảm bảo việc phục hồi vẫn duy trì tính xác thực về mặt lịch sử của cỗ tuabin năm 1931 trong khi vẫn kết hợp nhiều vật liệu và công nghệ hiện đại?

Bằng cách tái sử dụng vỏ tuabin và càng nhiều thành phần bên ngoài còn lại càng tốt để duy trì diện mạo tổng thể của di sản.

Thay vì thay thế tất cả các bộ phận theo thiết kế ban đầu, quyết định đưa ra là hiện đại hóa các khía cạnh bên ngoài bằng các vật liệu và linh kiện hiện đại. Cách tiếp cận này giúp nâng cao tính năng và độ bền lâu trong khi vẫn duy trì vẻ bề ngoài và hoạt động của chiếc tuabin 90 năm tuổi.

Có bất kỳ cân nhắc hoặc thách thức cụ thể nào trong việc kết hợp bảo tồn lịch sử với hiệu suất hoạt động không?

Có, sau các cuộc thảo luận ban đầu rằng dự án phải duy trì càng nhiều thiết bị nguyên thủy càng tốt, Gilkes đã cân nhắc đến việc nâng cấp một số bộ phận nhất định để cải thiện hoạt động của cỗ máy. 

Các vật liệu bền, chống chịu ăn mòn chưa phổ biến khi thiết kế máy lần đầu vào năm 1931. Nắm bắt cơ hội để tăng tuổi thọ và giảm thiểu bảo trì, Gilkes đã chọn thay thế một số bộ phận bị mòn bằng các giải pháp thay thế hiện đại. Nhiều thành phần ban đầu, chẳng hạn như giá đỡ cánh dẫn hướng và các ổ trục vành vận hành, dễ bị ăn mòn và mài mòn. Ví dụ, giá đỡ cánh dẫn hướng bằng thép cacbon bị gỉ sét nặng, dẫn đến kẹt các ống lót cánh dẫn hướng. Các ổ trục vành hoạt động ngăn cách bằng các con lăn thép phải đối diện với những thách thức liên quan đến khả năng tiếp cận hạn chế để bôi trơn lại, dẫn đến tình trạng kẹt thường xuyên. Ngoài ra, các ổ trục ban đầu chế tạo bằng vỏ kim loại trắng gây ra mối lo ngại do khả năng hư hại và thời gian thay thế kéo dài.

Giải pháp là sử dụng thép không gỉ nhiều hơn rất nhiều, bao gồm các cánh dẫn hướng, các trục và các bộ phận vòng vận hành. Điều này sẽ ngăn các bộ phận khỏi bị ăn mòn và kẹt, tuy nhiên nó không loại bỏ được vấn đề bôi trơn bên trong. Đối với rắc rối này, các kỹ sư đã thay thế hoàn toàn con lăn bằng một phân đoạn chèn bằng thép không gỉ. Sau đó, họ tách phân đoạn chèn này ra bằng một lớp lót polymer có mặt sau bằng kim loại hiện đại. Lớp lót này có đặc tính ma sát thấp tuyệt vời và không cần bảo dưỡng, giúp loại bỏ nhu cầu bôi trơn bên trong máy. Các kỹ sư cũng tận dụng cơ hội này để thay thế các ống lót trong các cánh dẫn hướng bằng một giải pháp thay thế không cần bôi trơn, giúp giảm thêm nhu cầu bảo dưỡng cần thiết.

Vì các kỹ sư đang chế tạo một trục mới nên đây là cơ hội hoàn hảo để thiết kế lại máy để có ổ trục lăn hiện đại. Các ổ trục được chọn là các sản phẩm tiêu chuẩn có sẵn với thời gian giao hàng ngắn hơn nhiều. Chi phí cũng quan trọng và giá của một ổ trục thay thế thấp hơn chi phí gia công lại vỏ ổ trục cũ. Các kỹ sư đã chọn và thiết kế vỏ ổ trục kiểu gối và tấm bộ chuyển đổi để cho phép sử dụng lại các bệ đỡ hiện có. Các ổ trục mới có khả năng tự căn chỉnh, điều này rất quan trọng để cho phép bất kỳ sự sai lệch và uốn cong trục nào. Các ổ trục mới cũng có yêu cầu bảo trì thấp hơn.

Gilkes tiến hành Phân tích FEA để đánh giá khả năng uốn cong tiềm ẩn  của tuabin (Ảnh st)

Nhận ra những thách thức độc đáo do thiết kế của tuabin gây ra, đặc biệt là trục dài và mảnh, Gilkes đã tiến hành Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để đánh giá khả năng uốn cong tiềm ẩn. Mối quan ngại về tiếp xúc giữa các thành phần quay và tĩnh đã thúc đẩy nhu cầu phân tích chi tiết để xác định khoảng hở tối thiểu. Phân tích này đã cung cấp một thiết kế hiệu quả, cân bằng các khoảng hở nhằm ngăn ngừa tiếp xúc đồng thời tối đa hóa sản lượng điện và hiệu suất.

Các bánh xe công tác tuabin nguyên thủy, với các cánh kim loại tấm dày 3mm, cần thiết kế lại một cách chu đáo khi gia công các bánh xe công tác tuabin mới từ các khối đặc. Để đảm bảo cả độ chính xác về mặt lịch sử và tính năng, Gilkes đã sử dụng phân tích Động lực học Chất lưu tính toán (CFD). Các điều chỉnh về chiều dày cánh và các biên dạng cạnh trước đã giúp tăng hiệu suất tuabin tối đa 0,5%, như CFD đã tiên đoán.

Hơn nữa, CFD còn dùng để lập bản đồ sản lượng tuabin dự kiến ​​trên một dải rộng các lưu lượng dòng chảy, cung cấp thông tin chi tiết về các biến thiên trong vận hành. Bản đồ này đã cho phép Gilkes tự tin đưa vào vận hành, đảm bảo tính năng mạnh mẽ của tuabin trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Gilkes đã đến hiện trường vào tháng 1 năm 2021 để tháo dỡ tuabin, phát hiện rằng cơ cấu cánh dẫn hướng bị mòn quá nhiều đến mức một cánh dẫn hướng đã tiếp xúc với một bánh xe công tác, làm hỏng bánh xe công tác và các cánh dẫn hướng đến mức không thể sửa chữa. Rất nhiều thành phần bên trong đã bị ăn mòn và kẹt. Điều này có nghĩa là tuabin sẽ cần thêm các thành phần bao gồm các cánh dẫn hướng mới, cơ cấu cánh dẫn hướng, trục tuabin, các bánh xe công tác và các buồng tân trang lại.

Sau khi đánh giá ban đầu tại hiện trường, Gilkes đã quay trở lại địa điểm vào tháng 10 năm 2021 để tháo dỡ các thành phần bị hỏng còn lại bao gồm cả trục máy dài 5,5m và cụm bánh xe công tác trong một khối. Việc nâng thiết bị ra khỏi cửa sập bằng cẩu nâng sử dụng giàn giáo tạm thời để hỗ trợ các hoạt động nâng cẩu. Chỉ còn có vỏ rỗng của máy để lại tại hiện trường.

Sau khi tháo ra, Gilkes đã có thể tiến hành thanh tra toàn diện tại xưởng của mình để lập báo cáo đánh giá tình trạng. Sau khi chế tạo lại thiết bị và sẵn sàng lắp đặt, Gilkes thực hiện quy trình lắp đặt ngược trở lại. Tuabin được lắp đặt tại tầng hầm của nhà máy số 3. Khi tuabin đã cải tạo để cấp công suất cho một máy phát điện, Gilkes xây dựng một cửa sập tiếp cận mới có diện tích khoảng 4m² ở bên hông nhà máy để có thể tiếp cận gian tuabin. Điều này gây khó khăn cho việc tháo dỡ và vận chuyển các bộ phận tuabin, đặc biệt là cụm trục, hoàn chỉnh với các bánh xe công tác lắp sẵn. Do chiều dài lớn của cụm lắp ráp, người ta đã phải nâng hai vị trí phức tạp bằng cách sử dụng đồng thời cầu trục gian tuabin và cần cẩu lắp trên xe tải. Tất cả các bộ phận đều hạ xuống thành công mà không bị trầy xước, thứ tự thực hiện rất quan trọng vì không gian chật hẹp bên dưới.

Hợp đồng ban đầu năm 2020 đã tiến hóa ra sao và có bất kỳ thay đổi hoặc bổ sung nào về phạm vi công việc trong suốt dự án không?

Dự án ban đầu có phạm vi công việc nhỏ hơn, theo cách tiếp cận của các nhà tư vấn cho Gilkes để hỗ trợ tân trang cơ khí. Sau khi tháo dỡ ban đầu, Gilkes đã đưa ra một cảnh báo sớm với khách hàng/nhà tư vấn. Sau đó, dự án đã bị hoãn lại cho đến khi chủ sở hữu nhà máy quyết định phải làm gì. 

Sau khi rà soát dự án, chính quyền xứ Scotland đã cấp một khoản tài trợ bổ sung để trang trải các chi phí phát sinh cần thiết nhằm hoàn thành dự án. 

Biên dịch: Hồ Văn Minh

Theo “Ns energy business”, tháng 2/2025