Giáo trình Tuabin thuỷ lực

93 trang Gia Huy 20/05/2022 2930

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Tuabin thuỷ lực", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_tuabin_thuy_luc.pdf

Nội dung text: Giáo trình Tuabin thuỷ lực

GIÁO TRÌNH TUABIN THUỶ LỰC
MỤC LỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG GIÁO TRÌNH 6 CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TUABIN THỦY LỰC 7 1.1 Tuabin nước và sự phát triển của nó 7 1.2 Phân loại tuabin 9 1.2.1. Tuabin phản kích 10 1.2.2. Tuabin xung kích 11 1.3 Khái quát về cấu tạo tuabin 12 1.3.1. Cấu tạo của tuabin phản kích 13 1.3.2. Cấu tạo của tuabin gáo 24 1.4 Các bộ phận phụ của tuabin 25 1.4.1. Van phá chân không 25 1.4.2. Van xả không tải (van xả bỏ) 26 1.4.3. Van tuabin 27 1.5 Câu hỏi chương 1 28 CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA TUABIN 29 2.1. Khái niệm về chuyển động tương đối và tuyệt đối, hình tam giác tốc độ. 29 2.2. Phương trình cơ bản của tuabin 30 2.3. Dòng chảy trong tuabin xung kích 32 2.3.1. Tam giác tốc độ cửa vào và cửa ra BXCT 32 2.3.2. Phương trình cơ bản của tuabin gáo 33 2.4. Sự tổn thất năng lượng và hiệu suất của tuabin 34 2.4.1. Tổn thất dung tích (ΔQ) 34 2.4.2. Tổn thất thủy lực (ΔH) 34 2.4.3. Tổn thất cơ khí 34 2.5. Điều kiện hiệu suất cao của tuabin 35 2.4.1. Chảy vào không va 35 2.4.2. Chảy ra thẳng góc (hình 2.6) 36 2.6. Sự điều chỉnh lưu lượng 38 2.7. Câu hỏi chương 2 40 CHƯƠNG 3: THUYẾT TƯƠNG TỰ VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG 41 QUY DẪN CỦA TUABIN 41 3.1. Khái niệm cơ bản 41 3.2. Các điều kiện tương tự 41 3.2.1. Tương tự về hình học 41 3.2.2. Tương tự về động học 41 3.2.3. Tương tự về động lực học 42 3.3. Các hệ số vận tốc dòng chảy trong BXCT 43 3.4. Tương quan giữa số vòng quay, lưu lượng và công suất của hai tuabin cùng kiểu làm việc với chế độ cùng góc 44 3.4.1. Quan hệ về số vòng quay 44 3.4.2. Quan hệ về số lưu lượng 44 3.4.3. Quan hệ về cột nước tuabin 44 3.4.4. Quan hệ về công suất 45 3.5. Các đại lượng quy dẫn 45 3.5.1. Khái niệm chung 45 3.5.2. Các đặc trưng quy dẫn của tuabin 45 3.5.3. Quan hệ giữa các đại lượng quy dẫn với dạng cánh BXCT và chế độ làm việc của nó 46
3.5.4. Sự liên hệ giữa các đại lượng quy dẫn của các tuabin cùng kiểu có hiệu suất khác nhau. 47 3.6. Số vòng quay đặc trưng của tuabin (tỷ tốc ns của tuabin) 48 3.7. Hiệu suất của hai tuabin tương tự về hình học (cùng kiểu) 49 3.8. Câu hỏi chương 3: 51 CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ DẪN NƯỚC VÀ THÁO NƯỚC CỦA TUABIN PHẢN KÍCH 52 4.1. Phân loại, tác dụng và cấu tạo của buồng tuabin 52 4.1.1. Tác dụng và phân loại 52 4.1.2. Các kiểu buồng tuabin và phạm vi ứng dụng 52 4.1.3. Các thông số cơ bản của buồng xoắn 54 4.2. Ảnh hưởng của buồng xoắn đến đặc tính tuabin 57 4.2.1. Các loại tổn thất 57 4.2.2. Phương pháp tính toán thủy lực 58 4.3. Lựa chọn kích thước buồng tuabin cỡ nhỏ 60 4.3.1. Buồng hở chữ nhật dùng cho tuabin trục đứng (hình 4.5) 60 4.3.2. Buồng hở chữ nhật dùng cho tuabin trục ngang (hình 4.6) 60 4.4. Stato tuabin 64 4.5. Công dụng của ống hút 66 4.5.1. Tuabin không có ống hút (hình 4.5a) 67 4.5.2. Tuabin có ống hút hình trụ (hình 4.5b). 67 4.5.3. Tuabin có ống hút hình nón cụt (hình 4.5c) 68 4.6. Tổn thất năng lượng của ống hút 70 4.6.1. Tổn thất thủy lực bên trong ống hút 70 4.6.2. Tổn thất động năng ở cửa ra ống hút 71 4.6.3. Hệ số thu hồi động năng của ống hút 72 4.7. Các kiểu ống hút thường dùng 74 4.7.1. Ống hút chóp 74 4.7.2. Ống hút cong 79 4.8. Câu hỏi chương 4 83 CHƯƠNG 5: KHÍ THỰC VÀ CHIỀU CAO HÚT CỦA TUABIN 84 5.1. Hiện tượng khí thực và tác hại của nó 84 5.1.1. Nguyên nhân hình thành của hiện tượng khí thực 84 5.1.2. Loại khí thực 85 5.1.3. Tác hại của khí thực 86 5.2. Hệ số khí thực 87 5.3. Xác định chiều cao hút và cao trình lắp đặt tuabin của trạm thủy điện 88 5.4. Các biện pháp phòng chống khí thực 91 5.5. Phương pháp thí nghiệm khí thực 92 5.6. Câu hỏi chương 5: 93 CHƯƠNG 6: THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VÀ ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH TUABIN 94 6.1. Ý nghĩa và nhiệm vụ của thí nghiệm mô hình 94 6.2. Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm 94 6.3. Đường đặc tính tuabin 97 6.3.1. Đường đặc tính tuyến tính 98 6.3.2. Đường đặc tính tổng hợp 98 6.4. Quan hệ giữa đường đặc tính thường dùng với loại tuabin 102 6.4.1. Đường đặc tính tổng hợp chính 102 6.4.2. Đường đặc tính công tác 102 6.4.3. Đường đặc tính tổng hợp vận hành 103
6.5. Xây dựng đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin đã chọn 104 6.5.1. Tính đổi đường quan hệ hiệu suất. 104 6.5.2. Tính đổi đường hạn chế công suất 107 6.5.3. Vẽ đường đồng chiều cao hút Hs 109 6.6. Các đường đặc tính của trạm thủy điện 109 6.7. Câu hỏi chương 6 124 CHƯƠNG 7 CHỌN KIỂU LOẠI VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TUABIN 125 7.1. Vấn đề tiêu chuẩn hóa tuabin 125 7.2. Phạm vi sử dụng cột nước của các loại tuabin thường dùng hiện nay 128 7.3. Chọn tuabin theo đường đặc tính tổng hợp chính (ĐĐTTHC) 129 7.3.1. Chọn hệ tuabin và kiểu BXCT 130 7.3.2. Xác định các thông số cơ bản của tuabin 131 7.3.3. Số vòng quay lồng 134 7.3.4. Lực dọc trục 134 7.3.5. Buồng tuabin 134 7.3.6. Ống hút 134 7.4. Chọn tuabin theo biểu đồ sản phẩm 134 7.5. Lựa chọn các thông số cơ bản của tuabin gáo 135 7.4.1. Các thông số thủy lực cơ bản của tuabin gáo. 135 7.4.2. Xác định các thông số cơ bản của tuabin gáo 137 7.6. Ví dụ về chọn tuabin 138 7.7. Câu hỏi chương 7: 145 CHƯƠNG 8: ĐIỀU CHỈNH TURBIN NƯỚC 146 8.1. Nhiệm vụ cơ bản của điều chỉnh tuabin 146 8.2. Cấu tạo và đặc điểm của hệ thống điều chỉnh turbin nước 147 8.3. Các sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ turbin 148 8.3.1. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động trực tiếp 148 8.3.2. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp. 149 8.4. Sự làm việc song song của các turbin. 152 8.5. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc phản hồi mềm có độ không đều còn dư 155 8.5.1. Bộ phận thay đổi số vòng quay 158 8.5.2. Bộ phận hạn chế độ mở. 158 8.6. Các sơ đồ nguyên lý điều chỉnh kép 159 8.8.1. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh kép của turbin cánh quay. 159 8.8.2. Sơ đồ điều chỉnh kép ở turbin tâm trục có cột nước cao 160 8.8.3. Sơ đồ điều chỉnh kép của turbin gáo 160 8.7. Thiết bị dầu có áp của máy điều tốc 161 8.8. Động cơ tiếp lực 163 8.8.1. Động cơ tiếp lực để quay cánh hướng nước 163 8.8.2. Động cơ tiếp lực của BXCT turbun cánh quay 164 8.8.3. Động cơ tiếp lực của van xả không tải 165 8.8.4. Động cơ tiếp lực của turbin gáo. 166 8.9. Lựa chọn hệ thống điều chỉnh 166 8.9.1. Lựa chọn máy điều tốc 166 8.9.2. Lựa chọn thiết bị dầu áp lực (TBDAL) 167 8.10. Tính toán bảm đảm điều chỉnh tô máy phát điện thủy lực 168 8.10.1 Độ tăng áp lực nước trong quá trình điều chỉnh 168
8.10.2 Nước va trong hệ thống dẫn nước có tiết diện thay đổi theo chiều dài. 171 8.10.3 Sự thay đổi tốc độ quay của turbin trong quá trình điều chỉnh 173 8.11. Câu hỏi chương 8: 176 CHƯƠNG 9: PHỤ LỤC 177 9.1. Máy phát điện thủy lực 177 9.1.1. Kí hiệu máy phát điện 177 9.1.2. Bảng tra các loại máy phát điện thủy lực 181 9.2. Tuabin thủy lực 181 9.2.1. Trọng lượng turbin 181 9.2.2. Tính nhanh kích thước buồng xoắn 182 9.3. Đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin (ĐTTTHC) 183 9.4. Máy điều tốc 196 TÀI LIỆU THAM KHẢO 201
CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG GIÁO TRÌNH Q - Lưu lượng S - Công suất biểu kiến (kVA); hành trình piston động cơ tiếp lực (ĐCTL) To - Thời gian mở cánh hướng nước Ts - Thời gian đóng cánh hướng nước tf - pha nước va u - tốc độ vòng v - Vận tốc tuyệt đối vo - vận tốc ban đầu khi τo và H = Ho vr - thành phần vận tốc hướng kính vu - thành phần vận tốc tiếp tuyến vz - thành phần vận tốc hướng trục v3 - vận tốc cửa vào ống hút v5 - vận tốc cửa ra ống hút Z1 - số cánh BXCT Zo - Số cánh hướng nước, số vòi phun của tuabin gáo α1 - góc nước vào α2 - góc nước ra β - góc quay cánh BXCT; mức biến đổi số vòng quay ϕ - góc đặt cánh BXCT; độ dày ống áp lực (δ) ζ - độ tăng áp lực nước va; hệ số tổn thất ζ1 - độ tăng áp lực nước va ở pha thứ nhất ζm - độ tăng áp lực nước va ở pha cuối cùng η - Hiệu suất Δη - Độ hiệu chỉnh hiệu suất ρ - hằng số đặc tính đường ống áp lực; bán kính tiết diện buồng xoắn kim loại σ - hệ số khí thực, hằng số đặc tính đường ống áp lực σgh - hệ số khí thực giới hạn σct - hệ số khí thực công trình τ - độ mở tương đối của tuabin τo - độ mở tương đối ban đầu τt - độ mở tương đối cuối cùng ϕmax- góc bao lớn nhất của buồng xoắn ω - vận tốc góc W - vận tốc tương đối Γ - lượng chảy vòng
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TUABIN THỦY LỰC 1.1 Tuabin nước và sự phát triển của nó Tuabin nước (Tuabin thủy lực) là một trong những thiết bị chủ yếu của Trạm Thủy Điện, được dùng để biến đổi năng lượng dòng nước (thủy năng) thành cơ năng làm quay máy phát điện. Tổ hợp tuabin và máy phát đện gọi là tổ máy phát điện thủy lực. Nó có hàng loạt các ưu điểm sau: - Hiệu suất của tổ máy phát điện thủy lực có thể đạt rất cao so với tổ máy nhiệt điện. - Thiết bị đơn giản, dễ tự động hoá, có thể điều khiển từ xa. - Ít sự cố và cần ít người vận hành. - Có khả năng làm việc ở phần phụ tải thay đổi. - Thời gian mở máy và thời gian dừng máy ngắn. - Không làm ô nhiễm môi trường. Đặc điểm thủy năng là một dạng năng lượng tái tạo được và có khả năng lợi dụng tổng hợp, do đó giá thành cho 1kWh điện do TTĐ phát ra rẻ hơn rất ngiều lần so với trạm nhiệt điện. Tuy vậy việc sử dụng thủy năng cũng có nhược điểm là điện lượng phát ra phụ thuộc vào sự phân bố dòng chảy theo thời gian, hơn nữa nhà máy thường xây dựng ở những nơi xa các trung tâm công nghiệp và các khu đô thị lớn nên đường dây tải điện dài, vốn đầu tư dựng TTĐ lớn, thời gian thi công dài nhưng nói chung về mặt kinh tế thủy điện vẫn tối ưu hơn. tuabin nước là loại máy thủy lực đầu tiên loài người dùng để sử dụng năng lượng thiên nhiên phục vụ đời sóng và sản xuất. Ở Ai Cập, Ấn Độ và Trung Quốc vào khoảng 1000 năm trước công nguyên đã sử dụng bánh xe nước với các dạng: bánh xe nước tác động dưới, bánh xe nước tác động giữa và bánh xe nước tác động trên dưới dạng biến đổi năng lượng. Đến nay ở nước ta bánh xe nước vẫn được sử dụng trên các suối vùng núi và trung du. Hình1-1: Các dạng bánh xe nước.
Tuy nhiên mãi tới thế kỷ 16 thì việc sử dụng năng lượng nước mới tương đối rộng rãi và bánh xe nước mới có những cải tiến lớn. Nhưng từ bánh xe nước đến tuabin nước loài người phải trải qua tìm kiếm và nghiên cứu khá dài. Động cơ nước đầu tiên làm việc theo nguyên lý tác dụng phản kích của dòng nước do Beckeca người Anh (1745) và Xênhêra người Hung ga ri (1750) sáng chế. Kết cấu của loại động cơ này rất còn thô sơ nên hiêu suất rất thấp (khoảng 35÷40%). Trên cơ sở nghiên cứu và cải tiến động cơ nước của Xênhêra, nhà bác học Nga Ơle (1707-1783) đã thiết kế một loại động cơ nước khác, trong đó bộ phận hướng nước có cấu tạo giống bộ phận hướng nước của tuabin thường dùng hiện nay. Đến năm 1826 một giáo sơ người Pháp tên là Budena đã tìm ra một loại động cơ nước mới, được gọi là tuabin, tiếng La tinh, Tuabinens có nghĩa là các động cơ dạng xoắn ốc. Loại động cơ này cũng có đầy đủ các bộ phận như các bộ phận của các tuabin phản kích thường dùng hiện nay. Nhưng hình dạng cánh bánh xe công tác còn quá thô sơ và hiệu suất thấp nên vẫn chưa được ứng dụng trong thực tế. Trên cơ sở tiếp tục cải tiến tuabin của mình, khoảng thời gian 1827 – 1834 Budena đã sáng chế ra loại tuabin li tâm (hình 1.2a) có bộ phận hướng nước của tuabin gồm các cánh hướng nước cố định vòng quanh BXCT. Lưu lượng được điều chỉnh nhờ van hình trụ đặt giữa bộ phận hướng nước và BXCT. Cho đến đàu thế kỷ 18 vì chưa có cơ sở lí luận cũng như thiết kế nên công việc nên việc chế tạo động cơ nước mang tính thô sơ, riieng lẻ. Tuabin nước được chế tạo đầu tiên ở Liên Xô (1837) do U.E.Xaphônô sáng chế, đó cũng là loại tuabin phản kích li tâm với các cánh hướng nước cố định. So với các kiểu tuabin nói trên, tuabin của Xaphônô có hiệu suất và tốc độ cao so với điều kiện sản xuất lúc bấy giờ (khoảng 70%). Từ đầu thế kỷ 19 các tuabin hiện đại có cấu tạo hoàn chỉnh đã thay thế cho bánh xe nước và các động cơ nước trên đây. Những tiến bộ trong lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo tuabin phát triển rất nhanh, thời kì sau đó các tuabin hiện đại được xuất hiện. Tuabin tâm trục do kỹ sư Frăngxit (người Pháp) chế tạo năm 1830. Cùng với việc nghiên cứu phát minh loại tuabin phản kích, năm 1880 Pentơn đã sáng chế ra tuabin xung kích. Đến năm 1900 bộ phận hướng nước của tuabin này được cải tiến thành vòi phun và van kim giống như tuabin gáo ngày nay. Tuabin cánh quạt xuất hiện năm 1918, đến năm 1919 tuabin cánh quay ra đời (do kỹ sư Kaplan (người Mỹ) tìm ra). Đồng thời năm 1918 tuabin xung kích 2 lần do Bunki (người Hung ga ri) phát minh. Còn tuabin cánh chéo mãi đến năm 1950 mới xuất hiện (do giáo sư Liên Xô V.C.Kvalopki) sáng chế, nó là loại trung gian giữa tuabin tâm trục và cánh quay. Từ giữa thế kỷ 19 đến nay ngành sản xuất tuabin phát triển rất nhanh. Ngày nay việc chế tạo tuabin phát triển theo hướng nâng cao các thông số kỹ thuật như: tăng tỷ tốc và công suất của một tổ máy, giảm hệ số khí thực.
Hình 1.2a: Tuabin ly tâm của Budena Hình 1.2b: Tuabin Pentơn Ở nước ta hiện nay đã có nhiều cơ sở đầu tư tiến bộ khoa học kỹ thuật cho việc chế tạo tuabin nước. Chúng ta đã chế tạo được một số tuabin nhỏ. Trong tương lai chúng ta sẽ chế tạo tuabin loại lớn hơn phục vụ cho công cuộc điện khí hoá và phục vụ sản xuất ở các địa phương xa lưới điện quốc gia. 1.2 Phân loại tuabin Dựa vào việc xây dựng các công trình thủy công người ta có thể tạo ra các cột nước của TTĐ rất khác nhau từ 1÷2m cho đến hàng nghìn m, lưu lượng nước cũng biến đổi rất lớn từ vài chục l/s đến hàng trăm m3/s nếu như điều kiện dòng chảy và địa hình cho phép. Yêu cầu đối với tuabin là có đủ khả năng đảm bảo sử dụng năng lượng dòng chảy với hiệu suất cao mà không bị hạn chế bởi bất kỳ cột nước và lưu lượng nào. Do đó cần có đủ các loại tuabin khác nhau về cấu tạo, kích thước cũng như quá trình làm việc của chúng. Khảo sát các thành phần năng lượng của dòng chảy chúng ta thấy năng lượng của dòng nước truyền cho bánh xe công tác cuả tuabin bằng độ chênh năng lượng của dòng chảy ở cửa vào và cửa ra. 2 2 ⎛ p1− p 2⎞ α 1 V 1 − α2 V 2 HZZ=()1 − 2 +⎜ ⎟+ ⎝ γ ⎠ 2g 14244 4344 1424 443 ThÕ n¨ng §éng n¨ng Vậy năng lượng dòng chảy gồm hai phần: Thế năng và động năng. Tùy theo dạng năng lượng của dòng chảy qua bánh xe công tác mà chia tuabin nước thành hai loại khác nhau: Tuabin xung kích và Tuabin phản kích. Tuabin phản kích là loại tuabin lợi dụng cả hai phần thế năng và động năng mà chủ ⎡ ⎛ pă − pâ ⎞⎤ yêu là thế năng của dòng chảy ⎢()ZZă −â +⎜ ⎟⎥ >0. Trong hệ tuabin này áp lực ở ⎣ ⎝ γ ⎠⎦ cửa vào luôn lớn hơn áp lực cửa ra. Vì tiết diện ướt của BXCT co hẹp dần nên vận tốc dòng chảy qua tuabin tăng dần. Vì vậy BXCT của tuabin phản kích bao giờ cũng làm việc trong môi trường chất lỏng kín và liên tục và sự chênh lệch về áp lực ở cửa vào và cửa ra của BXCT quyết định đặc tính công tác của loại tb này.
Tuabin xung kích là loại tuabin chỉ lợi dụng phần động năng của dòng chảy tác dụng lên BXCT còn phần thế năng bằng không. Ở tuabin này dòng chảy khi ra khỏi vòi phun thì toàn bộ thế năng dòng chảy biến thành động năng truyền năng lượng cho BXCT. Vì chảy trong môi trường khí quyển nên chuyển động của dòng chảy trên các cánh BXCT là chuyển động không áp nên còn gọi là tuabin dòng phun tự do. Tuabin phản kích và tuabin xung kích có tính năng và phạm vi sử dụng khác nhau. Tuabin dùng cho TTĐ có cột nước thấp và trung bình, lưu lượng lớn còn tuabin xung kích dùng cho TTĐ có cột nước cao, lưu lượng nhỏ. 1.2.1. Tuabin phản kích Tuabin phản kích là hệ tuabin được sử dụng rộng rãi nhất với phạm vi cột nước từ 1,5m đến 500m. Nó chuyển động do phản lực (lực phản tác dụng) của dòng nước lên cánh bánh xe công tác hình thành mômen quay của bánh xe công tác làm cho tuabin quay. Trong quá trình làm việc bánh xe công tác ngập toàn bộ trong dòng chảy áp lực vì thế nên còn gọi là dòng phun có áp. Theo sự khác nhau về hướng chảy của chất điểm dòng chảy trong bánh xe công tác có thể chia tuabin phản kích thường dùng ra làm ba loại: tuabin hướng trục (hình1-2a, 1-2d), tuabin tâm trục (hình1-2c) và tuabin cánh chéo (hình1-2b). Hình 1-3: Sơ đồ các phần qua nước của tuabin phản kích. a) Hướng trục trục đứng; b) Cánh chéo; c) Tâm trục; d) Hướng trục trục ngang; e) Gáo a. Tuabin tâm trục (hình 1-2c): Đặc điểm của tuabin tâm trục là dòng nước chảy vào bánh xe công tác theo mặt nằm ngang thẳng góc với trục sau đó đổi hướng dòng chảy song song với trục và ra khỏi BXCT. Tuabin còn được gọi là tuabin Franxit, nó được sử dụng ở các TTĐ có cột nước cao H = 30 ÷ 500m.
b. Tuabin hướng trục (hình 1-2a, d): Tuỳ theo đặc điểm về cấu tạo và phương thức lắp trục, tuabin hướng trục có thể chia thành: Kiểu cánh quạt, kiểu cánh quay và kiểu chảy thẳng. Kiểu cánh quạt và kiểu cánh quay có dòng chảy vào và dòng chảy ra khỏi BXCT song song với trục tuabin. Chỉ khác nhau ở chỗ: tuabin cánh quạt thì cánh tuabin được gắn chặt với bầu BXCT còn ở tuabin cánh quay thì cánh tuabin có thể quay quanh trục cánh. Loại tuabin này thích hợp với cột nước thấp từ 3 ÷ 40m (cá biệt có cột nước H tới 80m). Do đặc tính công tác kém nên tuabin cánh quạt thường dùng cho TTĐ nhỏ còn tuabin cánh quay có hiệu suất cao trong phạm vi điều chỉnh vòng nên được sử dụng với các TTĐ lớn và trung bình. Đối với tuabin chảy thẳng thường sử dụng phương thức lắp trục ngang và có năng lượng tương đối tốt ở những TTĐ có cột nước thấp, do đó trong tương lai sẽ được áp dụng rộng rãi để khai thác năng lượng thủy triều. c. Tuabin hướng chéo (hình 1-2b): Đây là loại tuabin được kết hợp giữa tuabin tâm trục và tuabin cánh quay. Loại này được sử dụng trong phạm vi H = 30 ÷ 150m. Ở nước ta các loại tuabin này chưa được sử dụng. 1.2.2. Tuabin xung kích Tuabin xung kích gồm các kiểu chủ yếu sau: - Tuabin gáo (hình 1-4) - Tuabin tia nghiêng (hình 1-3a) - Tuabin xung kích hai lần (hình 1-5) Hình 1.4: Turrbin gáo 1. Vòi phun; 2. Cánh BXCT; 3. Miệng phun; 4. Van kim; 5. Vỏ máy
Hình 1.5: Tuabin xung kích hai lần a. Tuabin gáo (hình 1-4) Tuabin gáo là loại tuabin xung kích có tính năng công tác tốt nhất và được sử dụng nhiều nhất với các loại TTĐ và vừa có cột nước cao (từ 300 ÷ 2000m) và lưu lượng nhỏ. Ở nước ta TTĐ Đa Nhim dùng tuabin gáo có H = 800m và công suất một tổ máy N = 40MW. b. Tuabin tia nghiêng (hình 1-3a) Tuabin này có trục tia nước tạo với mặt phẳng BXCT một góc nghiêng. Loại này hiện nay hầu như không còn sử dụng nữa vì hiệu suất và tính năng làm việc kém. c. Tuabin xung kích hai lần (hình 1-5) Với tuabin nay dòng chảy hai lần tác động lên cánh bánh xe công tác. Tuabin này thường được dùng cho các TTĐ cỡ nhỏ có N = 5 ÷ 100KW. Trong tất cả các loại tuabin hiện tại trên, ngày nay được sử dụng rộng rãi nhất và có lịch sử lâu dài nhất là: Tuabin gáo dùng với cột nước cao (200 ÷ 2000m) Tuabin tâm trục dùng với TTĐ có cột nước vừa (30 ÷ 700m) Tuabin cánh quay dùng ở TTĐ loại lớn và vừa có cột nước thấp (6 ÷ 80m). Tuabin cánh quạt dùng ở TTĐ vừa và nhỏ có cột nước thấp (6 ÷ 80m). Bốn loại tuabin này đã có những cống hiến to lớn trong sự nghiệp lợi dụng thủy năng thiên nhiên. Trong cuốn sách này chủ yếu giới thiệu về bốn loại tuabin nói trên. 1.3 Khái quát về cấu tạo tuabin Trong tuabin nước bộ phận ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tuabin đó là phần dẫn dòng. Phần dẫn dòng gồm ba bộ phận chính là: - Buồng dẫn Tuabin
- Bánh xe công tác - Ống hút tuabin Hình 1.6: Mặt cắt dọc tổ máy Các bộ phận phụ của tuabin gồm trục tuabin, ổ dẫn hướng, các thiết bị bôI trơn cho ổ trục, trục tuabin và trục máy phát, thiết bị điều chỉnh sự làm việc đồng bộ của tuabin và máy phát. Sau đây trình bày tỉ mỉ hơn kết cấu của các loại tuabin được sử dụng rộng rãi hiện nay. 1.3.1. Cấu tạo của tuabin phản kích Tuabin phản kích gồm có hệ tuabin tâm trục, cánh quay và cánh quạt, BXCT của tuabin phản kích làm việc trong môi trường chất lỏng liên tục và áp lực nước ở phía trước BXCT thường lớn hơn phía sau của nó. Xét về mặt cấu tạo, bất kì một hệ tuabin phản kích nào cũng gồm những bộ phận chính sau đây: Buồng tuabin, stato, bộ phận hướng nước (BPHN), BXCT, buồng BXCT, ống hút, trục, ổ trục và các thiết bị phụ của nó. Sáu bộ phận đầu hình thành bộ phận dẫn dòng (hay bộ phận qua nước) của tuabin còn trục và ổ trục là bộ phận kết cấu có nhiệm vụ tiếp nhận và truyền mômen quay từ BXCT đến rôto của máy phát điện. Trong các bộ phận nước qua thì BXCT là bộ phận trực tiếp biến đổi thủy năng thành cơ năng chuyển động quay. Bộ phận hướng nước có tác dụng làm thay đổi trị số và hướng vận tốc dòng chảy trước khi đi vào BXCT, còn ống hút được dùng để tháo nước từ BXCT về hạ lưu TTĐ. Dưới đây là cấu tạo các hệ tuabin phản kích. a. Tuabin tâm trục Như trên đã nói, chiều dòng nước lúc chảy vào BXCT tuabin tâm trục là hướng tâm (thẳng góc với trục quay) còn chảy ra khỏi BXCT thì theo hướng trục bởi thế hệ tuabin này gọi là tâm trục (ở một số nước còn gọi là tuabin Franxit). Phạm vi sử dụng cột nước của tuabin này từ 30 ÷ 550m. Hiện nay tuabin tâm trục lớn nhất được lắp ở TTĐ
Kraxnôia (Liên Xô cũ) có công suất 50800KW và đường kính D1 = 7,5m. Hình 1.12 biểu thị mặt cắt dọc của tuabin tâm trục. Sau đây ta nghiên cứu cấu tạo các bộ phận chủ yếu của tuabin tâm trục. a.1. Buồng tuabin Buồng tuabin có tác dụng dẫn nước đều đặn vòng quanh bộ phận hướng nước của tuabin, gồm các kiểu: hở, chính diện, xoắn bê tông và xoắn kim loại. Buồng hở có cấu tạo đơn giản, thường được dùng ở các TTĐ có cột nước H < 10m, đường kính D1 < 1,6m. Còn đối với các tuabin có kích thước và cột nước lớn hơn thì BXCT không bố trí trong buồng hở mà trong buồng kín có mặt bằng hính xoắn ốc (còn gọi là buồng xoắn) nhờ đó sẽ đảm bảo cho phần dưới nước lẫn phần trên nước của TTĐ sẽ có kích thước nhỏ hơn. Trong chương 5 sẽ giới thiệu tỉ mỉ về buồng tuabin. a.2. Stato tuabin (vòng bệ) Sau khi qua buồng tuabin, nước sẽ chảy đến stato tuabin rồi vào bộ phận hướng nước. Stato tuabin có tác dụng truyền toàn bộ tải trọng phần trên nhà máy gồm trọng lượng toàn bộ tổ máy, sàn và bệ máy phát điện, áp lực nước dọc trục tác dụng lên BXCT và khối bê tông phủ trên nó xuống móng nhà máy. Stato tuabin gồm một số cột chống (2) với tiết diện ngang hình đường dòng liên kết với vành đỡ trên (1) và vành đỡ dưới (3) (hình 1.4). Có hai kiểu stato: kiểu cột riêng rẽ (hinh 1.4a) và kiểu vòng (hình 1.4b). Tất cả các tuabin tâm trục và phần lớn tuabin cánh quay đều sử dụng stato kiểu vòng để tăng độ cứng, còn kiểu cột riêng rẽ chỉ sử dụng cho buồng xoắn bê tông cốt thép và ở đó ổ trục chặn không lắp trên nắp tuabin. Stato là kết cấu chịu lực và là chi tiết chuẩn của tuabin được lắp ráp đầu tiên, do đó nó phải có đủ độ cứng cũng như hình dạng hình học chính xác. Số lượng các cột chống của stato bằng nửa số cánh hướng nước Z0. Hình 1.7: Các kiểu stato tuabin 1. Vành trên; 2. Cột; 3. Vành dưới a.3. Bộ phận hướng nước hay bộ phận dẫn dòng
Sau khi qua stato nước chảy vào bộ phận hướng nước. Bộ phận này có tác dụng sau đây: − Thay đổi trị số và hướng tốc độ dòng chảy giữa cơ cấu hướng nước và BXCT. Đồng thời tạo điều kiện tốt cho dòng nước chảy vào cánh tuabin. − Điều chỉnh công suất tuabin bằng cách điều chỉnh lưu lượng vào tuabin. − Ngăn toàn bộ dòng nước vào BXCT của tuabin Bộ phận hướng dòng gồm có hai bộ phận chính: các cánh hướng nước với số cánh Z0 = 16 ÷ 32 cánh (được bố trí quanh chu vi BXCT) và cơ cấu quay hướng. Mỗi cánh hướng có thân và trục cánh. Đầu trên trục cánh được lồng vào các lỗ khoét ở nắp tuabin (hình 1.9) còn đầu dưới thì được lắp vào vành dưới, nhờ đó các cánh có thể quay quanh trục của nó để thay đổi độ mở a0 của bộ phận hướng nước. Độ mở a0 được tính bằng khoảng cách nhỏ nhất giữa hai cánh kế tiếp nhau(mm) (hình 1.8). Ở vị trí đóng hoàn toàn thì đầu mút của các cánh tiếp xúc nhau (a0 = 0) và nước không thể đi qua vào BXCT (hình 1.10). Còn ở vị trí mở hoàn toàn (a0 = a0max) thì các cánh có hướng kính, lúc đó lưu lượng chảy vào BXCT lớn nhất. Khi các cánh có hướng ở vị trí đóng hoàn toàn, muốn giảm bớt rò rỉ, tại đầu trên c và dưới a mỗi cánh cũng như mép giữa các cánh phải có các đệm chống thấm làm bằng cao su (hình 1.9). Hình 1.8: Cách biểu thị độ mở Hình 1.9: Đệm chống thấm của bộ phận hướng nước cánh hướng nước Nếu các đệm nói trên tốt thì khi sửa chữa máy có thể chỉ cần đóng bộ phận hướng nước (BPHN) mà không cần phải đóng van trước tuabin (bảo đảm cho việc mở máy lần sau nhanh chóng hơn). Cơ cấu quay cánh hướng nước
Muốn quay được các cánh hướng nước, cơ cấu này phải có đủ lực để thắng được áp lực nước P tác dụng lên các cánh hướng nước và lực ma sát trong các chi tiết của BPHN. Đồng thời phải bảo đảm khả năng quay các cánh hướng nước theo các trị số độ mở a0 bất kì trong phạm vi từ a0 ÷ a0max. Hình (1.11) là sơ đồ cơ cấu hướng nước điều chỉnh bên trong được sử dụng trong các tuabin phản kích cỡ nhỏ. Trong đó đặc điểm của sơ đồ này là chi tiết của cơ cấu quay bố trí bên trong tuabin và ngập trong nước. Hình 1.10: Cánh hướng nước Hình 1.11 Cơ cấu quay cánh hướng nước ở vị trí đóng hoàn toàn Bộ phận hướng dòng điều chỉnh trong gồm các chi tiết: nắp tuabin (1), vòng dưới (9), các cánh hướng nước (2), trục cánh hướng (10) và cơ cấu quay. Đầu dưới mỗi cánh hướng có khớp (3) nối với thanh truyền (4), còn đầu kia của thanh truyền nối với vành điều chỉnh (8). Như vậy khi quay trục điều chỉnh (5) thì vòng điều chỉnh sẽ quay và làm cho các cánh hướng quay quanh trục của nó với một góc nhất định. Vành điều chỉnh liên hệ với trục điều chỉnh qua tay đòn (6) và thanh kéo (7). Nhược điểm của bộ phận hướng nước loại này là các chi tiết cơ cấu quay nằm trong nước nên chúng nhanh chóng bị han gỉ và tổn thất thủy lực lớn. Bởi lẽ đó nên đối với các tuabin cỡ vừa và lớn người ta thường sử dụng cơ cấu hướng nước điều chỉnh bên ngoài tuabin (hình 1.12). Bộ phận hướng nước kiểu này khác với kiểu nói trên ở chỗ các đầu trục của mỗi cánh hướng đều nhô ra phía trên nắp tuabin và các chi tiết của cơ cấu quay cánh hướng đều bố trí ở nơi không có nước. Ở đây, vòng điều chỉnh (11) liên hệ với các cánh hướng qua khớp nối, khớp nối này có tay quay (9) (tay ép chặt với trục cánh hướng nhờ chốt hình bán nguyệt (26), tâm (6), chốt an toàn (12), thanh truyền (10), thanh này gồm chạc nối, vít tiện đầu ren trái và ren phải và chốt nối, trong đó chốt phía trái được nối với tâm (6), còn chốt phía phải nối với vòng điều chỉnh.
Hình 1.12: Mặt cắt dọc tua bin tâm trục Hình 1.13: Sơ đồ liên hệ giữa động cơ Hình 1.14: Dạng ngoài của bánh xe tiếp lực với bộ phận hướng nước công tác của tuabin tâm trục a) BXCT tuabin tâm trục cột nước trung bình b) BXCT tuabin tâm trục cột nước cao Hình (1.12) biểu thị mặt cắt dọc của cơ cấu quay này. Chốt an toàn (12) có tác dụng bảo vệ cho BPHN không bị hư hỏng, và một số cánh hướng không bị kẹt (do các vật nổi như gỗ v.v ). Vì chốt có ứng suất cắt nhỏ hơn ứng suất cắt của tất cả các chi
tiết của cơ cấu quay cánh hướng nên khi bị kẹt thì các chốt này (ở các cánh hướng bị kẹt) sẽ bảo đảm cho các cánh hướng khác vẫn có thể đóng bình thường. Vòng điều chỉnh của BPHN sở dĩ có thể quay được quanh trục tuabin là nhờ có một hoặc hai động cơ đặc biệt goi là động cơ tiếp lực (hoặc bộ tiếp lực) bằng dầu có áp (hình 1.13). Động cơ tiếp lực là hệ thống thủy lực gồm xilanh và pittông, pittông có cần (3) nối với vòng điều chỉnh (2). Tuỳ thuộc dầu có áp lấy từ thiết bị dầu áp lực đi vào một ngăn nào đó trong xilanh (1) sẽ làm chuyển dịch pittông (4) và tạo nên mômen ngẫu lực quay vòng điều chỉnh. Động cơ tiếp lực quay bộ phận hướng nước của tuabin thường bố trí phía trong hầm (giếng) tuabin hoặc ở trên nắp tuabin. a.4. Bánh xe công tác Sau khi qua khỏi bộ phận hướng nước, nước chảy vào BXCT (20) hình ( 1.12) ,BXCT của tuabin tâm trục gồm có 12 đến 24 cánh, dạng mặt cong không gian và được cố định (bằng hàn hay đúc) với vành trên (18) và vành dưới (19). Vành trên của BXCT được nối với mặt bích dưới của trục tuabin (21), còn phía dưới của vành này được nối với chóp thoát nước (22). Ngoài ở vành trên có lắp các tấm giảm áp (27) và các lỗ để giảm bớt áp lực nước dọc trục tác động lên BXCT. Kích thước hình học của tuabin tâm trục được đặc trưng bằng đường kính tiêu chuẩn D1 của BXCT và được quy ước là đường kính lớn nhất tại vị trí mép vào các cánh BXCT. Hình dạng BXCT phụ thuộc vào cột nước H, nói chung cột nước H càng tăng thì số lượng cánh D BXCT tăng còn tỉ số đường kính 2 D1 cũng như độ cao tương đối cánh hướng b 0 sẽ giảm (hình 1.14). Còn tuabin tâm D1 trục dùng cho cột nước thấp thì ngược lại để tăng tiết diện ướt của tuabin. Hình 1.15: Các kiểu vòng bít của tuabin Để giảm bớt lượng nước rò rỉ qua các a) Kiểu khe hở; b) Khe hở có rãnh nhỏ; khe hở giữa phần động và phần tĩnh của c,d) Kiểu răng lược; e) Răng lược có khe hở tuabin cần bố trí thiết bị chống rò rỉ. Đó là các vòng chống rò được lắp ở bề mặt ngoài của vành trên và vành dưới BXCT (hình 1.15), ở vị trí tương ứng với phần cố định của nắp tuabin và vành dưới BPHN. Các kiểu vòng chống rò rỉ (vòng bít) khác nhau được thể hiện ở hình (1.15), trong đó kiểu rãnh được dùng với H < 100m, kiểu cài răng lược dùng với H ≥ 100 ÷ 150m. BXCT của tuabin có thể được chế tạo thành BXCT hoàn chỉnh hoặc từng bộ phận (2÷3) phần, tùy thuộc vào điều kiện vận tải và công nghệ chế tạo. Thông thường vận chuyển bằng đường sắt chỉ cho phép BXCT hoàn chỉnh có đường kính D1 < 4,75m.
Nếu đường kính to hơn thì phải chọn các biện pháp vận chuyển thích hợp hơn như đường thủy , hoặc gia công BXCT thành từng phần để chuyển theo đường sắt và tổ hợp thành bánh xe hoàn chỉnh (bằng hàn, bằng vành đai v.v ). ở công trường xây dựng Braskaia (Liên Xô cũ) sử dụng tuabin tâm trục có D1 = 5,5m, ở đó BXCT được ghép từ hai phần bằng phương pháp hàn nối. a.5. Trục và ổ trục Trục và ổ trục là kết cấu truyền và chịu lực chủ yếu của tuabin. - Trục tuabin Trục tuabin được dùng để truyền mômen xoắn từ BXCT đến rôto của máy phát điện, trục tuabin trục đứng là đoạn ống thành mỏng và có bích ở hai đầu, phía trong rỗng để lắp ống dẫn dầu (cho tuabin cánh quay) hoặc để dãn không khí xuống phía dưới BXCT (để phá chân không cho tuabin tâm trục). Tùy thuộc vào cách bố trí nhà máy và kết cấu nhà máy, trục tổ máy có thể gồm hai phần: trục tuabin và trục máy phát điện, hay 3 phần: trục tuabin, trục trung gian và trục máy phát điện.Trong một số kết cấu hiện nay thì tổ máy chỉ có một trục chung nối liền rôto máy phát điện với BXCT tuabin. Ưu điểm của kiểu trục này là giảm bớt chiều cao tổ máy và nhà máy. Đường kính ngoài của trục tuabin phụ thuộc vào công suất NT, số vòng quay n của tuabin và có thể tính sơ bộ theo công thức: N d = α T (m) (1-7) t n Trong đó: α - hệ số kinh nghiệm, α = 0,11 ÷ 0,12. Hệ số lớn dùng cho tuabin cỡ nhỏ và ngược lại. NT – Công suất định mức của tuabin (kW) n – số vòng quay đồng bộ (v/ph) Hình 1.16a: Ổ trục bôi trơn bằng nước Kích thước trục tuabin vừa và lớn 1. Trục; 2. Nồi trục; 3. Tấm bạc trục; 4. đều được tiêu chuẩn hoá với các trị số Nắp; 5. Vòng chặn; 6. Ống dẫn nước làm sau: mát bạc trục; 7. Ống xả nước; 8. Bơm dt = 600, 650, 700, 750, 800, 850, nước rò trên nắp turrbin; 9. Vòng bít. 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, v.v
Hình 1.16b: ổ trục hướng bôi trơn bằng dầu 1. Trục; 2. Nồi trục; 3. Vòng ép; 4. Vít điều chỉnh khe hở bạc trục; 5. Tấm ngoài bạc trục; 6. Tấm cách điện; 7. Nắp che; 8. Tấm cách điện; 9. Vòng che; 10. Ống dẫn dầu; 11. Ống xả dầu; 12. Lỗ lấy dầu. Chiều dài của trục thì tuỳ điều kiện bố trí cụ thể của từng TTĐ mà xác định. - Ổ trục hướng Ổ trục hướng của tuabin có hai loại: ổ trục hướng bôi trơn bằng dầu, và ổ trục hướng bôi trơn bằng nước (hình 1.16a,b) Ổ trục hướng bôi trơn bằng nước thường bố trí ở trên nắp tuabin. Các tấm bạc làm bằng cao su cứng và được bôi trơn bằng nước. Ở một số tuabin cỡ nhỏ, các tấm bạc có thể được làm bằng gỗ dán và bôi trơn cũng bằng nước. Cấu tạo ổ trục hướng bôi trơn bằng nước cho ở (hình 1.16a). Đối với ổ trục hướng bôi trơn bằng dầu khoáng thì các tấm bạc của ổ trục làm bằng hợp kim babít (hình 1.16b). b. Tuabin hướng trục Tuabin hướng trục có hai loại: cánh quạt và cánh quay. Hướng chảy của nước trong phạm vi BXCT theo hướng trục quay của tuabin. Ở nước ngoài còn gọi tuabin cánh quay là tuabin Kaplan. Tuabin hướng trục được sử dụng cho cột nước thấp từ 3 ÷ 5m đến 35 ÷ 40m. Gần đây có nơi sử dụng cho cột nước đến 60 ÷ 70m. b.1. Bánh xe công tác của tuabin cánh quạt Gồm có 3 ÷ 10 cánh (tăng theo cột nước), được gắn chặt vào bầu BXCT, BXCT đặt trong buồng hình trụ, buồng có kích thước lớn hơn mép ngoài cánh BXCT khoảng một vài mm. Đường kính buồng đó được coi là đường kính tiêu chuẩn BXCT D1. Loại này kết cấu thì đơn giản nhưng hiệu suất cao chỉ ứng với một chế độ làm việc. Vì thế loại tuabin này không dùng cho TTĐ có công suất lớn vì không kinh tế (hình 1.17a).
Hình 1.17a: Hình ngoài của Hình 1.17b: Cắt dọc tuabin cánh quạt Bánh xe công tác tuabin cánh quay điều chỉnh cánh 1. Bầu BXCT (thân BXCT); 2. Cánh BXCT; 3. Bu lông; 4. Chốt chịu lực cắt; 5. Chóp bầu BXCT hình lưu tuyến b.2. Bánh xe công tác của tuabin cánh quay Gồm có: bầu, cánh, chóp thoát nước và bộ phận quay cánh BXCT. Bầu BXCT có hai phần (hình 1.20) phần cầu và phần trụ. Tâm của phàn cầu trùng với tâm của trục quay cánh BXCT. Bầu phải có hình cầu để giảm bớt khe hở giữa cánh với bầu khi quay cánh. Ở tuabin cánh quạt vì cánh cố định nên không có phần cầu này. Chóp thoát nước (3) hình (1.18) có tác dụng làm cho nước chảy khỏi BXCT thuận dòng hơn và giảm được tác dụng mạch động. Số cánh từ 3 ÷ 10 cánh (tăng theo cột nước) Hình 1.18: Sơ đồ cơ cấu quay cánh được gắn vào bầu nhờ trục cánh. Khác với tuabin BXCT tuabin cánh quay cánh quạt, các cánh của BXCt có thể quay được quanh trục của nó nhờ cơ cấu quay nằm trong bầu BXCT. Hình (1.18) là sơ đồ nguyên lí chuyển vận của bộ phận quay cánh BXCT, còn hình (1.19) là mặt cắt dọc BXCT của tuabin cánh quay.
Hình 1.19a: Mặt cắt dọc tuabin cánh quay có vành sao 1. Bầu; 2. Buồng BXCT; 3. Stato; 4. Bánh hướng; 5. Tay quay; 6. Bơm nước rò nắp tuabin; 7. Hầm tuabin; 8.,9. Động cơ tiếp lực; 10. Giá đỡ; 11. Trục; 12. ổ hướng; 13. Nắp tuabin; 14. Tittông; 15. Cánh BXCT; 16. Cổ buồng BXCT; 17. Cổ trục; 18. Vòng bít cánh; 19. Chóp thoát nước. Bộ phận cánh quay gồm: trục cánh (6), động cơ tiếp lực (4), hệ thống thanh truyền (7). Ở đây tay quay (8) được nối với trục cánh (6), còn thanh truyền có chốt nối liền pittông (5) của động cơ tiếp lực làm 2 ngăn: trên và dưới. Dầu có áp từ thiết bị dầu áp lực qua hai ống dẫn dầu đồng tâm đặt lồng vào nhau nằm bên trong trục tổ máy (ở đây không vẽ). Khi dầu có áp vào một ngăn nào đó của xilanh còn ngăn kia thông với lỗ dầu xả thì pittông lẫn thanh truyền (7) sẽ xê dịch lên trên hoặc xuống dưới do đó làm quay các cánh theo các góc quay như nhau. b.3. Buồng bánh xe công tác
Hình 1.19b: Mặt cắt dọc tuabin không có vành sao 1. Bầu; 2. Cánh BXCT; 3. Trục cánh; 4. Tay quay; 5. Thanh truyền; 6. Pittông; 7. Nắp xilanh Hình 1.20: Buồng BXCT tuabin cánh quay Khác với tuabin tâm trục, ở đây BXCT được bố trí thấp hơn BPHN và đặt bên trong buồng BXCT (hình 1.20) gồm có hai phần: phần trên của trục quay có dạng hình trụ, còn phần dưới có dạng hình nửa cầu. Đường kính lớn nhất của buồng được xem là đường kính tiêu chuẩn của tuabin cánh quay D1. Phần nửa cầu có tác dụng giảm bớt khe hở giữa các cánh với bầu khi quay cánh, còn phần trụ cho phép nhấc BXCT ra ngoàI khi sửa chữa máy. Chiều cao buồng nói chung bằng khoảng Hb và Hb = (0,5 ÷
0,53)D1. Buồng BXCT (tình từ vòng dưới của BPHN trở xuống) gồm một vài vòng bằng thép dạng vỏ mỏng (2) và nối với nhau bằng bulông. Phía ngoài buồng có các móc để néo chặt buồng với bê ông. Buồng BXCT bị rung động mạnh do tác dụng mạch động nên công việc lắp ráp cũng như gia công buồng phải làm chu đáo. Tại giao điểm của phần nửa cầu với phần dưới của buồng có tiết diện nhỏ nhất, đường kính Dk ở đó bằng khoảng (0,94 ÷ 0,98)D1. Đầu dưới của buồng BXCT nối với ống hút qua doạn ống chuyển tiếp (3). Khi lắp ráp BXCT, bánh xe được đặt trên vòng móng nằm dưới stato tuabin. 1.3.2. Cấu tạo của tuabin gáo Tuabin gáo còn dược gọi là tuabin Pentơn (tên một người Mỹ hoàn thiện nó vào năm 1884). Nước từ thượng lưu theo đường ống áp lực qua cửa van, đoạn ống chuyển tiếp rồi vào vòi phun (1), BXCT (2) và truyền năng lượng dòng nước dưới dạng động năng cho BXCT. Sau khi đi ra khỏi BXCT nước được tháo xuống kênh xả hạ lưu của TTĐ (hình 1.24). Hình 1.24: Tuabin gáo 1. Vòi phun; 2. Cánh BXCT; 3. Miệng phun 4. Van kim; 5. Vỏ máy a. Vòi phun Hình 1.25: Bộ phận cắt dòng
Vòi phun gồm miệng phun (2) và van kim (3) để điều chỉnh lưu lượng, nằm giữa van tuabin và BXCT. Khi kim áp sát với miệng vòi phun thì tiết diện ướt vòi phun bằng 0, dòng nước không thể chảy vào BXCT (ứng với độ mở a0 = 0) còn lúc kim rời khỏi miệng vòi phun xa nhất (hành trình kim S lớn nhất, S = Smax) thì tiết diện ướt vòi phun lớn nhất, lức đó lưu lượng dòng tia lớn nhất ứng với độ mở a0 = a0max. Như vậy vòi phun và kim có tác dụng điều chỉnh lưu lượng tuabin thông qua việc điều chỉnh tiết diện dòng tia vào BXCT. Vòi phun gồm có miệng phun (2) dạng ống co hẹp dần, van kim (3) trượt trong vòi đó. Kim có trục nhô ra ngoài vòi phun, trục này chuyển động lui tới nhờ có động cơ tiếp lực của hệ thống điều chỉnh (nói rõ ở chương 6) hay điều khiển bằng tay (ở các tuabin cỡ nhỏ). Lưu lượng vào tuabin sẽ nhanh chóng giảm xuống tuy vẫn đóng van kim từ từ và sẽ giảm được áp lực nước va xảy ra trong đường ống khi cần điều chỉnh lưu lượng tức thời. Ứng với các tuabin gáo có máy điều tốc tự động thì sự chuyển động có phối hợp giữa van kim và bộ phận cắt dòng được thực hiện nhờ bộ liên hợp nằm trong máy điều tốc (xem chương 6). b. Bánh xe công tác BXCT gồm có 14 ÷ 60 cánh gắn chặt lên đĩa và gắn lên trục tuabin. Cánh BXCT có dạng gáo, giữa có sống nhỏ (dao) chia gáo thành hai phần bằng nhau và tách dòng nước thành hai phần khi chảy ra theo hướng mặt phẳng BXCT. Để tránh cánh gáo trước ảnh hưởng đến dòng nước xung kích và cánh gáo sau. c. Vỏ máy Mặt ngoài của BXCT được bọc bởi một lớp vỏ máy, tác dụng của nó là để ngăn ngừa dòng nước trên BXCT bắn ra sàn nhà máy và để đỡ miệng vòi phun. Trong vỏ máy là trạng thái áp lực không khí. 1.4 Các bộ phận phụ của tuabin Để đảm sự làm việc bình thường của tuabin, phải có các bộ phận phụ bố trí cạnh tổ máy, đó là: van phá chân không, van xả tải, van trước tuabin, thiết bị tháo nước rò rỉ trên nắp tuabin, thiết bị dầu bôi trơn v.v 1.4.1. Van phá chân không Khi đóng nhanh cơ cấu hướng nước của tuabin phản kích thì trong buồng BXCT áp suất bị giảm xuống. Đối với những TTĐ có ống xả dài và đường ống áp lực tương đối ngắn thì hiện tượng giảm áp suất này càng lớn, nước từ ống xả chảy ngược vào BXCT với tốc độ khá lơn (sóng ngược) có thể gây nên sự va đập vào rôto tổ máy có thể làm hư hại tuabin và máy phát. Có thể ngăn ngừa hiện tượng nói trên bằng cách đặt ở trên nắp tuabin một hay hai van phá chân không, van này có lỗ thông với phía dưới BXCT tuabin. Khi đóng nhanh cơ cấu hướng nước van này sẽ tự động mở và cho không khí vào buồng BXCT.
Hình (1.27) là kết cấu van phá chân không ứng với vị trí đóng van. Vỏ van (1) được gắn trên nắp tuabin, bên trong vỏ có xilanh (2), và được giữ chặt ở vị trí đóng nhờ lò xo (3). đầu dưới của xilanh này được nối với cần (14) của đĩa van (5), phía trong xi lanh có pittông (6) và cần (7) xuyên qua nắp van (8). Đầu trên cần (7) có lắp ròng rọc (9) tỳ vào nêm (10) (nêm nối với vòng điều chỉnh của BPHN). Pittông (6) lẫn ròng rọc (9) bị nâng lên trên, nhờ lò so (11). Ở đáy píttông có van tiết lưu (12) và van 1 chiều (13), van1 chiều này bị ép chặt vào đáy Pittông nhờ lò so (4). Ngăn trên của xilanh luôn luôn thông với khí trời qua van tiết lưu (16), còn ngăn dưới của nó cũng vậy qua lỗ (17). Không khí đi và BXCT qua cửa sổ (18). Khi cắt tải đột ngột, bộ phận hướng nước sẽ xê dịch nêm (10) sang trái, làm cho ròng rọc, cần pittông và pittông (6) bị ấn xuống dưới, lúc đó vì Hình 1.27: Van phá chân không dầu trong xilanh chưa kịp qua van tiết lưu để chảy lên ngăn trên nên dầu ở phía dưới xilanh bị nén lại nên đẩy cả xilanh (2) lẫn cần và đĩa van (5) xuống dưới nhờ đó không khí có thể từ nắp trên tuabin qua lưới chắn rác xuống phía dưới BXCT. Sau đó do có một ít dầu chảy qua van tiết lưu đi lên ngăn trên của pittông, nên áp lực trong đó giảm xuống, lò xo (4) giãn ra và đẩy xilanh (2) và đĩa van (18) đóng lại. Cần chú ý là khi cần mở to BPHN thì van phá chân không vẫn nằm ở vị trí đóng (vị trí cho ở hình vẽ) và không khí không thể chui qua van này xuống phía dưới BXCT. Thật vậy, từ hình (1.27) ta thấy, khi BPHN chuyển động về phía mở thì nêm (10) dịch từ trái sang phải, nên ròng rọc (9) không chịu nén nữa và lò xo (8) sẽ giãn ra kéo cần (7) và pittông (5) lên trên. Lúc này nhờ van một chiều (13) (van này chỉ cho phép dầu chảy một chiều từ trên xuống dưới) nên dầu ở ngăn trên của xilanh (2) dễ dàng xuống ngăn dưới của nó bảo đảm cho xilanh (2) vẫn ở vị trí ban đầu. 1.4.2. Van xả không tải (van xả bỏ) Van xả bỏ được sử dụng ở các tuabin cột nước cao. Hình (1.28) là sơ đồ van xả bỏ lắp phía dưới buồng xoắn kim loại. Khi đóng nhanh BPHN do cắt phụ tải đột ngột, thì
ngoài hiện tượng giảm áp như đã nói ở trên xảy ra ở phía sau BPHN, còn có hiện tượng nước va ở trong hệ thống dẫn nước của tuabin. Trị số lưu lượng trong tuabin dQ càng thay đổi đột ngột ( lớn) thì áp lực nước va càng lớn.Van xả bỏ có tác dụng dt giảm áp lực nước va kể trên. Khi tuabin đang làm việc bình thường thì van xả bỏ đóng. Trong trường hợp hệ thống điện có sự cố, máy phát điện bị tách khỏi lưới điện, lúc đó BPHN đóng và van xả bỏ mở để xả bớt một phần lưu lượng qua van này xuống hạ lưu TTĐ. Như vậy có thể giảm bớt áp lực nước va trong đường ống áp lực của TTĐ bằng cách giữ cho lưu lượng trong đường ống thay đổi chậm hơn so với độ mở của BPHN. Khi BPHN đóng lại, van xả bỏ sẽ từ từ trở về vị trí ban đầu, và sau thời gian nhất định, van này sẽ đóng oàn toàn. Từ hình (1.28) ta Hình 1.28: Sự thay đổi lưu nhận thấy nhờ van xả bỏ mà sự thay đổi lưu lượng tuabin khi có van xả bỏ lượng trong đường ống theo thời gian (đường 1) sẽ chậm hơn nhiều so với trường hợp không có van xả bỏ (đường 2). Sơ đồ nguyên lý chuyển vận của van xả bỏ, xem hình (1.28). Ngoài hai loại van xả bỏ và van phá chân không còn có van bổ sung không khí lắp ở phía trên trục máy phát hay dưới trục tuabin, van này có tác dụng bảo đảm cho tuabin làm việc ổn định khi làm việc với cột nước thấp. 1.4.3. Van tuabin Van tuabin được bố trí giữa đường ống áp lực và tuabin, ở các TTĐ sử dụng ống rẽ nhánh hoặc TTĐ cột nước cao H > 200 ÷ 300m. Đối với các tuabin cỡ lớn thường dùng ba loại van: đĩa, cầu và van kim dùng ở các TTĐ có cột nước rất cao. Van đĩa (hình 1.29) hoặc van bướm có cấu tạo đơn giản gồm vỏ (1) và đĩa van (2) quay quanh trục của nó nhờ động cơ tiếp lực dầu cao áp. Trước khi mở van ta phải mở van cạnh (3) để cân bằng áp lực nước hai bên đĩa van. Hình 1.29: Sơ đồ các kiểu van tuabin Van đĩa sử dụng ở các TTĐ có cột nước H , 150m với đường kính ống áp lực bằng 7 ÷ 8m. Khi cột nước H > 150m thì phải sử dụng van cầu.
Van cầu hình (1.29b) gồm có vỏ (1) và rôto hình cầu (2), đường kính trong của rôto bằng đường kính của đường ống áp lực. Rôto có thể quay được góc 900 nhờ động cơ tiếp lực dầu cao áp. Van cầu có cấu tạo phức tạp hơn van đĩa. Người ta đã snả xuất van cầu có đường kính đạt tới 3m và dùng cột nước cao. Van cầu và van đĩa chỉ làm việc bình thường ở độ mở hoàn toàn, còn các độ mở khác thì trạng thái thủy lực sẽ kém đi. Van kim (hình 1.29c) gồm có vỏ (1), chóp thoát nước (2) (nối với vỏ nhờ các trụ) và pittông kiểu hình trụ (3). Pittông này xê dịch được nhờ áp lực nước ở trong buồng A và B. Van kim có đặc tính thủy lực tốt, kín, dễ thao tác và có thể làm việc ở độ mở bộ phận, tuy nhiên khuyết điểm của nó là có cấu tạo phức tạp, kích thước lớn và giá thành cao. 1.5 Câu hỏi chương 1 1. Hãy kể tên các loại tuabin nước và nêu phạm vi ứng dụng của các loại tuabin đó. Tuabin cánh quay thuộc tuabin phản kích hay tuabin xung kích? 2. Trình bày cấu tạo các bộ phận chính của tuốc bin gáo. Chỉ rõ thông số cơ bản đường kính chuẩn D1 của tuốc bin gáo 3. Trình bày cấu tạo các bộ phận chính của tuốc tâm trục, tuabin hướng trục. 4. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của cơ cấu hướng dòng trong tuabin phản kích.
CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA TUABIN 2.1. Khái niệm về chuyển động tương đối và tuyệt đối, hình tam giác tốc độ. Cấu trúc dòng chảy trong tuabin rất phức tạp. Ở đó, các phần tử chất lỏng một mặt men theo bề mặt cánh dạng cong không gian, mặt khác chảy vòng quanh trục quay tuabin. Vì vậy, chuyển động của chất lỏng không phải chuyển động phẳng mà là chuyển động không gian ba chiều. Sự thay đổi vận tốc (cả hướng lẫn trị số) dòng chảy sẽ làm thay đổi các yếu tố thủy động lực học của tuabin như lưu lượng Q, số vòng quay n, hiệu suất η v.v Bởi thế, muốn hiểu được quá trình làm việc của tuabin trước hết cần phân biệt các khái niệm về chuyển động tương đối và tuyệt đối của chất lỏng trong bánh xe công tác của tuabin. Hình 2.1: Dòng chảy trong bánh xe công tác cua tuabin phản kích Xét chuyển động của dòng nước chảy qua khe cánh BXCT. Nếu lấy mặt đất làm chuẩn nước từ cơ cấu hướng nước chảy vào cửa vào cánh BXCT (điểm 1 trên hình 2.1) với tốc độ tuyệt đối v1, nước chảy men theo cánh với tốc độ tương đối w1 và đồng thời quay cùng với cánh với tốc độ vòng u1. Theo cơ học lý thuyết thì tốc độ tuyệt đối v1 bằng tổng véc tơ của tốc độ tương đối và tốc độ vòng: r r V1= w 1 + u 1 r r Có nghĩa 3 véc tơ V1 , w1 , u1 hợp thành một tam giác tốc độ. Cũng tương tự ở điểm r r 2 (cửa ra của cánh BXCT) ba véc tơ V2 , w2 , u2 cũng hợp thành một tam giác tốc độ cửa ra (hình 2.1). Góc kẹp giữa tốc độ tuyệt đối và tốc độ vòng ký hiệu là α, Góc kẹp giữa tốc độ tương đối và tốc độ vòng ký hiệu là β. Và như vậy các góc tạo thành hình tam giác vận tốc nói trên gồm có góc α1 (là góc r r tạo thành bởi vận tốc tuyệt đối v1 và vận tốc vòng u1 ) và góc β1 (góc tạo thành bởi tốc r r độ tương đối w1 và tốc độ vòng u1 ). Nếu ở cửa vào của BXCT hình thành tam giác vận tốc gồm có các góc α1 và β1, thì ra của BXCT thì hình tam giác vận tốc gồm có các
góc α2 và β2, còn ý nghĩa của các góc này đã được giới thiệu trên. Góc β1 và β2 phụ thuộc vào cấu tạo và hình dạng cánh. Nếu giả thiết bánh xe công tác gồm vô số các cánh cực mỏng hợp thành thì khe cánh (tạo bởi khoảng trống giữa hai cánh kế tiếp nhau) sẽ rất hẹp, lúc đó quỹ đạo chuyển động tương đối của chất lỏng trùng với trung tuyến AB của cánh (hoặc đường dòng 1-2). Theo thủy lực học, nếu dòng chảy trong tuabin là dòng ổn định thì đường dòng sẽ trùng với quỹ đạo chuyển động của chất lỏng. Giả thiết này cho phép ta tìm được vị trí và hình dạng các đường dòng trong tuabin. Đồng thời trị số các vận tốc kể trên (v, u, w) của phần tử chất lỏng trong phạm vi BXCT đều được tính theo vận tốc bình quân trong tiết diện dòng chảy đang xét (hướng dòng chảy thẳng góc với tiết diện đó). Từ các giả thiết trên ta nhận thấy, đường cong 1-2 là quỹ đạo chuyển động tương đối của chất lỏng xuất phát từ điểm 1 đến điểm 2; đó cũng là trung tuyến AB của cánh; AB là quỹ đạo chuyển động tuyệt đối của chất lỏng chảy từ điểm A đến điểm B; véctơ tuyệt đối V1 , V2 tiếp xúc với quỹ đạo chuyển động tuyệt đối AB’ tại điểm đầu và điểm r r cuối của quỹ đạo này, còn vận tốc tương đối w1 và w2 thì tiếp xúc với quỹ đạo chuyển động tương đối 1-2 tại điểm 1 và 2. Sau đây là quá trình suy diễn phương trình nguyên lí cơ bản của tuabin hoặc phương trình cơ bản của tuabin. 2.2. Phương trình cơ bản của tuabin Phương trình cơ bản của tuabin xác lập mối liên hệ giữa mômen lực tác dụng của nước vào bánh xe công tác với các thành phần vận tốc cửa vào và cửa ra của nó. Trước khi đi vào cánh bánh xe công tác, nước chảy qua các rãnh giữa các cánh hướng nước. Các cánh này được sắp xếp với các khoảng cách như nhau vòng quanh bánh xe công tác và làm với mặt kinh tuyến (mặt phẳng đi qua trục quay) các góc α0 bằng nhau (hình 2.2). Góc α0 tỉ lệ thuận với độ mở a0 của cánh hướng nước, như vậy, dòng nước ở trước trong và sau BXCT là dòng chảy chuyển động xoay quanh trục tuabin (dòng chảy xoáy) và đối xứng với trục đó.
Hình 2.2: Sơ đồ suy diễn phương Hình 2.3: Sự biến đổi của mômen trình cơ bản của tuabin động lượng Khi dòng nước chảy qua các rãnh giữa các cánh BXCT, cánh BXCT bắt dòng nước phải thay đổi hướng và độ lớn tức là cánh tuabin đã gây một lực tác dụng lên dòng nước, ngược lại dòng nước có một lực phản tác dụng lên cánh tuabin làm BXCT phải quay ngược chiều dòng nước chỗ cửa ra. Đó là quá trình công tác của tuabin phản kích và nhà bác học Nga - Ơle vào giữa thế kỉ 18 đưa vào định luật biến thiên mômen động lượng. Biến thiên mômen động lượng trong một đơn vị thời gian trên lưu tuyến 1-2 bằng mômen phản lực tác dụng lên cánh. dL M = dt Trong đó: M - mômen phản lực tác dụng lên cánh L - mômen động lượng của nước Xét dòng chảy giữa hai cánh tuabin. Tốc độ tuyệt đối bình quân của dòng nước ở cửa nước vào của tuabin là v1, ở cửa ra là v2. Trong thời gian Δt khối lượng nước γ γ chảy qua cửa vào giữa hai cánh tuabin là qΔ t và cửa ra của cánh tuabin là qΔ t . g 1 g 2 Giả thiết khối nước đang xét là liên tục và không thể co ép nên q1 = q2 = q và như vậy γ động lượng theo hướng tiếp tuyến vòng tròn tại cửa vào là qΔ tv cosα , mômen g 1 1 1 γ động lượng tại cửa vào là qΔ tVcos α R (hình 2.3)và tương tự tại cửa ra mômen động g 1 1 1 1
γ lượng là qΔ tVcos α R , tất cả các thành phần vận tốc v1 và v2 đều lấy giá trị bình g 2 2 2 2 quân. Biến thiên mômen động lượng tại cửa vào và cửa ra là: dL γq = ()v R cosα − v R cosα dt g 2 2 2 1 1 1 Suy rộng ra cho toàn bộ dòng nước chảy qua bánh xe công tác ta có mômen M của BXCT tác dụng lên dòng nước γ ∑ q M = ()v R cosα − v R cosα g 2 2 2 1 1 1 γQ ↔ M = ()v R cosα − v R cosα g 2 2 2 1 1 1 Q - Lưu lượng chảy qua BXCT (m3/s) Theo nguyên lí lực và phản lực tác dụng ta có mômen của dòng nước Mn tác dụng lên BXCT sẽ là Mn = -M. γQ MM= = ()v Rcosα − v R cosα n g 1 1 1 2 2 2 Ta có công suất thu được trên BXCT là γQ NM=ϖ = (v Rcosα − v R cosα) ϖ (2.1) n g 1 1 1 2 2 2 γQ NM=ϖ = (v ucosα − v u cosα ) (2.1’) n g 1 1 1 2 2 2 Mặt khác ta biết công suất của dòng nước cung cấp cho BXCT, N = γηtlQH (2.2) Từ (2.1’) và (2.2) ta rút ra v ucosα − v u cosα η H = 1 1 1 2 2 2 (2.3) tl g Trong đó: ηtl – hiệu suất thủy lực của tuabin. H - cột nước công tác của tuabin. u - tốc độ vòng, u = Rω Phương trình cơ bản của tuabin cho thấy quan hệ giữa các chỉ tiêu năng lượng của tuabin và điều kiện chuyển động của dòng nước trong BXCT. Đối với một điều kiện nhất định (Q, H, η, n nhất định) nhờ phương trình này có thể thiết kế được hình dạng cánh BXCT. 2.3. Dòng chảy trong tuabin xung kích 2.3.1. Tam giác tốc độ cửa vào và cửa ra BXCT
Qua phân tích về cấu tạo của tuabin xung kích trong chương 1 ta thấy, các phần nước qua và quá trình làm việc của tuabin gáo khác hẳn với các phần nước qua và quá trình làm việc của tuabin phản kích. Bộ phận hướng nước của tuabin gáo là vòi phun và kim. Nước từ vòi phun chảy vào BXCT theo các tia tròn. Sau khi qua khỏi miệng vòi phun, toàn bộ năng lượng dòng nước (cột nước H) trừ đi tổn thất vòi phun đều biến thành động năng với vận tốc v0 = ϕ 2gH . Khi đi đến gáo, tia nước bị tách ra hai phần bằng nhau nhờ dao phân chia của gáo. Tiếp đó cả hai phần tia chảy vào hai nửa gáo dạng cong elip. Dòng nước rời khỏi gáo với vận tốc tuyệt đối v2 rất nhỏ, còn vận 0 tốc tương đối w2 thì gần như ngược chiều với w1 (β2 = 180 ). Nếu bỏ qua tổn thất ma sát giữa nước với gáo thì w1 = w2. Dòng tia đã trao gần như toàn bộ động năng của nó cho bánh xe công tác. Dao phân chia của gáo rất sắc nên góc β1 nhỏ, β1 coi bằng 0 và khi đó hình tam giác vận tốc ở mép vào đã kéo dài thành đường thẳng. W1 = v1 – u1 = v0 – u ở đó: u - vận tốc chuyển động của gáo theo chiều trục x (hình 2.4). Hình 2.4 biểu thị hình tam giác vận tốc ở mép vào và mép ra của gáo, ở đây v0 = v1; w0 = w1. Hình 2.4: Sơ đồ dòng chảy và tam giác vận tốc của tuabin gáo 2.3.2. Phương trình cơ bản của tuabin gáo Phương trình Ơle được áp dụng tính toán trong tuabin phản kích đồng thời cũng có thể áp dụng trong tuabin xung kích gáo. Căn cứ vào tam giác tốc độ cửa vào và cửa ra của tuabin gáo (hình 2.4) cho cự ly từ vị trí của dòng chảy trên cửa vào và cửa ra của gáo đến trục chính là bằng nhau thì u1 = u2 = u Thực tế α1 là rất nhỏ, coi α1 = 0 thì v0 = v1 = u + w1 Giả thiết dòng chảy khi qua gáo không bị tổn thất năng lượng thì w2 = w1 = v1 – u Đồng thời v2cosα2 = u2 + w2cosβ2 = u + (v1 – u)cosβ2, thay vào phương trình ơle ηtlgH = v1u1cosα1 – v2u2cosα2 ta có ηtlgH = uv – u[u + (vo – u)cosβ2] ↔ ηtlgH = u(vo – u)(1 - cosβ2)
2.4. Sự tổn thất năng lượng và hiệu suất của tuabin Tổn thất trong tuabin gồm có tổn thất thủy lực, tổn thất dung tích và tổn thất cơ khí. Sau đây ta xét các dạng tổn thất chính. 2.4.1. Tổn thất dung tích (ΔQ) Dòng chảy qua tuabin có một phần lưu lượng rò rỉ qua khe hở giữa phần động và phần tĩnh (stato). Phần lưu lượng này không tham gia vào việc biến đổi năng lượng. Lưu lượng qua khe hở có thể xác định theo công thức ΔQ = μ F 2gH , trong đó 2 F - diện tích khe hở tính theo D1, F = mD1 μ - hệ số lưu lượng 2 2 Vậy ΔQ = μ mD1 2gH= KQ D 1 H , KQ = μ m 2g Nếu lưu lượng toàn phần của tuabin là Q thì lưu lượng thức chảy vào BXCT là QB = Q - ΔQ = ηqQ QQ− Δ ΔQ Trong đó: η = =1 − , gọi là hiệu suất dung tích. q Q Q 2.4.2. Tổn thất thủy lực (ΔH) Tổn thất này bao gồm tổn thất do hiện tượng va đập thủy lực ở mép vào BXCT; tổn thất do ma sát thủy lực trên các phần nước qua của tuabin (tổn thất dọc đường); tổn thất do sự thay đổi trị số và hướng vận tốc dòng chảy (tổn thất cục bộ) và một phần đáng kể tổn thất động năng ở cửa ra của ống thoát nước của tuabin. Tổn thất thủy lực thể hiện ở sự giảm cột nước làm việc H của tuabin. Nếu H là cột nước làm việc của tuabin thì cột nước thực tế của tuabin là H - ΔH, vậy ηtl bằng: HH− Δ ΔH η = =1 − tl H H Như vậy ΔNtl bằng: ΔNtl = 9,81(1− ηtl )η q QH 2.4.3. Tổn thất cơ khí Tổn thất cơ khí là tổn thất năng lượng do ma sát cơ khí ở các ổ trượt, ổ đỡ, trong các đệm chống thấm giữa bộ phận chuyển động và bộ phận không chuyển động của tuabin. Đồng thời ma sát giữa các bộ phận quay với nước ở phần dẫn dòng (gọi là ma sát đĩa). Ta có: Công suất hữu ích của tuabinN, N= 9,81ηqη tlη cg QH , trong đó
ηcg- là hiệu suất cơ giới Hiệu suất toàn phần η của tuabin bằng N N η = = = ηq η tl η cg N n 9,81QH 2.5. Điều kiện hiệu suất cao của tuabin A- Điều kiện hiệu suất cao của tuabin phản kích Hiệu suất thủy lực của tuabin (phương trình 2.3) là cao nhất nếu dòng chảy thảo mãn hai điều kiện sau đây: 1- Điầu kiện chảy vào không bị va 2- Điều kiện chảy ra khỏi BXCT theo hướng pháp tuyến 2.4.1. Chảy vào không va Ta kí hiệu: O- Điểm nằm ngay trước cửa vào BXCT 1- Điểm ở cửa vào BXCT 2- Điểm ở cửa ra BXCT (hình 2.1) Dòng nước chảy vào bánh xe công tác được gọi là không bị va nếu vận tốc tuyệt đối v1 luôn bằng vận tốc tuyệt đối v0 ở cửa ra cánh hướng nước, còn phương của vận tốc r tương đối w1 trùng với tiếp tuyến của phần tử cánh ở mép vào của nó, có nghĩa là: r r r r v1= v 0 ; w1= w 0 và α 0= α 1 Thoả mãn điều kiện đó dòng nước sẽ bao lượn mép vào cánh BXCT. Ngược lại thì dòng nước sẽ tách khỏi mép vào cánh và hình thành vùng xoáy ngược ở đó. Nếu gọi ' r β1 là góc tạo bởi u1 và tiếp tuyến cánh tại mép vào 1, thì có thể xảy ra 3 trường hợp như sau: ' - Nếu β1 β 1 thì vùng xoáy xảy ra ở phía lõm của cánh; ' - Nếu β1= β 1 thì không có vùng xoáy.
Hình 2.5: Sự xuất hiện vùng xoáy ở cửa vào BXCT Rõ ràng, sự xuất hiện của vùng xoáy tách dòng này sẽ tăng thêm tổn thất cục bộ ở cửa vào cánh (tổn thất do va đập thủy lực). Tổn thất này sẽ làm giảm hiệu suất của tuabin nên phải tìm cách loại trừ nó. Tuy vậy không thể bảo đảm điều kiện chảy vào không va trong mọi chế độ làm việc của tuabin. ' Đối với tuabin cánh quạt và tuabin tâm trục có cánh cố định ( β1 không đổi), khi lưu lượng Q và cột nước H thay đổi thì hướng của tam giác tốc độ cửa vào thay đổi dẫn tới ' β1≠ β 1 . Do đó đối với các loại tuabin này chỉ khi làm việc với Q và n phù hợp với ' thiết kế thì β1= β 1 . Ngoài trường hợp ấy ra thì điều kiện chảy vào không va sẽ không còn duy trì được nữa gây ra việc hạ thấp ηT. ' Với tuabin cánh quay do cánh BXCT quay được (góc β1 thay đổi) nên khi lưu lượng Q thay đổi có thể điều chỉnh cánh tuabin ăn khớp với độ mở cánh hướng nước ' nên thông thường thoả mãn điều kiện β1= β 1 như vậy khi phụ tải thay đổi vẫn bảo đảm dòng chảy bao lượn lấy cánh nên hiệu suất η của tuabin loại này cao hơn hai loại tuabin trên. ' Trị số góc cánh β1 phụ thuộc vào kiểu tuabin. Nói chung với tuabin cột nước cao thì ' 0 ' 0 góc β1 90 . 2.4.2. Chảy ra thẳng góc (hình 2.6) 0 Từ phương trình (2.3) chúng ta thấy: Khi Q, H = const, nếu cosα2 = 0, α2 = 90 , v2 chảy theo hướng pháp tuyến (v2 vuông góc u2) thì dòng chảy đi thẳng xuống không sinh ra dòng chảy xoáy ở ống hút do đó làm tăng hiệu suất của tuabin. ' Đối với tuabin tâm trục, góc β 2 không đổi nên chỉ ở trạng thái làm việc bình thường 0 của tuabin mới đảm bảo góc α2 = 90 . Vậy khi lưu lượng hay số vòng quay của tuabin 0 thay đổi (chẳng hạn n thay đổi thì u2 cũng thay đổi) do đó mà góc α2 ≠ 90 . Hình tam giác biểu thị vận tốc cửa ra cánh BXCT, trên hình (2.6a), từ hình vẽ ta nhận thấy, khi lưu lượng bằng lưu lượng tính toán Q thì vận tốc v2 vuông góc u2, còn khi Q tăng hoặc giảm thì v2 sẽ không thẳng góc với u2 nữa, có nghĩa là v2u2cosα2 ≠ 0, nước chảy ra khỏi bánh xe công tác có xoáy và hiệu suất thấp. Đối với tuabin cánh quay khi lưu lượng nước chảy qua tuabin thay đổi thì do cánh bánh xe công tác quay được cùng với độ mở a0 của BPHN nên cánh có thể nằm ở các vị trí khác nhau (có vị trí 1, 2 ,3 của hình 2.6b). Kết quả là vận tốc v2 trong cả ba trường hợp nói trên đều có thể vuông góc với u2 (v21, v22, v23 đều vuông góc u2). Như vậy trong cả ba trường hợp ở cửa vào và ở cửa ra của BXCT của tuabin cánh quay đều bảo đảm dòng chảy lợi nhất. Điều này cũng chứng tỏ tính ưu việt của tuabin cánh quay so với hai loại tuabin đầu. Tuy vậy thực nghiệm cho biết, nếu cho rằng muốn tăng hiệu suất thì cần bảo đảm 0 góc α2 = 90 là không hoàn toàn đúng đắn. Người ta làm thí nghịêm và xác định rằng
dòng chảy ở cửa ra của bánh xe công tác nên bảo đảm có một lượng chảy vòng sao cho v2u2cosα2 = 0,2gH thì chẳng những có thể làm tăng hiệu suất thủy lực của tuabin mà còn có thể cải thiện được trạng thái dòng chảy ở cửa vào của ống hút. Khi đó, do có dòng chảy xoay quanh trục vừa phải nên lực li tâm sinh ra do sự chảy xoay này sẽ làm cho các phần tử chất lỏng ở cửa vào ống hút bám sát vào thành ống nên khắc phục được hiện tượng tách dòng trong ống hút mở rộng, đồng thời cũng giảm được vận tốc tương đối của dòng nước chảy men theo cánh BXCT do đó mà giảm tổn thất thủy lực trong BXCT. Hình 2.6: Tam giác vận tốc ở cửa ra của BXCT Cũng vì lí do trên mà hiện nay khi thiết kế hệ thống cánh BXCT người ta không những không loại bỏ điều kiện chảy ra không thẳng góc mà ngược lại, khi tính toán đã cố ý thoả mãn điều kiện này. Nói cách khác hầu hết các tuabin hiện nay đều được thiết 0 kế với góc α2 vào khoảng 80 . Bây giờ ta hãy xét với điều kiện chảy ra thẳng góc; Từ hình tam giác vận tốc cửa ra BXCT ta có: 0 0 vu2= u 2 − wu 2 = u 2 − w 2 cos( 180 −β 2) =u 2 − vm 2 cot g( 180 − β 2 ) (2.4) 2 2 Trong đó: Vm2- thành phần vận tốc kinh tuyến; vm2 = vr2 + v z 2 . Ở cửa ra dòng chảy theo chiều trục cho nên: Q vm2= v z 2 = (2.5) F2
ở đây: F2- diện tích tiết diện ngang ở mép ra của BXCT 0 Do đó, vu2= u 2 − K 1 Qcot g( 180 − β 2 ) (2.6) Từ phương trình (2.6) ta thấy điều kiện bảo đảm nước chảy ra khỏi bánh xe công tác theo phương pháp tuyến là: 0 u2= K 1 Qcot g( 180 − β 2 ) (2.7) B- Điều kiện hiệu suất cao của tuabin xung kích Từ phưng trình ηtlgH = u(vo – u)(1 - cosβ2) dηtl dηtl 1 ηtl đạt giá trị max khi = 0 ↔ =)()(1 − cos β v−2 u = 0 (2.8) du du gH 2 0 vậy muốn ηtl = ηtlmax thì cần phải thoả mãn hai điều kiện sau đây 0 0 r • 1-cosβ2 = 0 hay β2 = 180 như vậy độ cong của cánh gáo là 180 , w2 ngược r chiều với u 2 , dòng nước ở cửa ra sẽ va vào lưng của cánh gáo phía sau không thể tháo 0 0 nước đi thuận dòng. Thực tế β2 vào khoảng 176 ÷ 177 . 1 • v0 – 2u = 0, u = v (2.9) 2 0 1 Nếu β2 là góc cố định ηtl = ηtlmax khi u = v 2 0 2 1 ⎛ v0⎞ v 0 1 v0 ηtlmax = ()1− cos β 2⎜v 0 − ⎟ =(1 − cos β 2 ) (2.10) gH ⎝ 2⎠ 2 gH 4 1 2 1 2 Vì v = ϕ 2gH nên ηtlmax = ()1− cosβ ϕ 2gH =(1 − cos β) ϕ (2.11) 0 4gH 2 2 2 Trong quá trình chứng minh ta giả thiết bỏ qua tổn thất thủy lực trong gáo và β1 = 0, 0 0 thực ra w1 ≠ w2 và β1 =10 ÷ 12 do đó thường u = (0,44 ÷ 0,48)v0 và hiệu suất thủy lực lớn nhất cũng chỉ bằng tlmax 0,88 ÷ 0,90 hơi thấp hơn hiệu suất của tuabin phản kích. 2.6. Sự điều chỉnh lưu lượng Trong các tuabin tâm trục và cánh quạt, lưu lượng được điều chỉnh bằng các cánh hướng nước, còn trong tuabin cánh quay thì được điều chỉnh bằng sự quay đồng thời của cánh hướng nước và cánh bánh xe công tác. Ta hãy xác định sự liên hệ giữa lưu lượng nước chảy qua tuabin với các thông số của bộ phận hướng nước và bánh xe công tác. Từ hình 2.7 ta nhận thấy, lưu lượng Q bằng: vu0 a 0 b 0 Z 0 Q= v0 a 0 b 0 Z 0 = cosα 0
v r a b Z Q = u0 0 0 0 0 (2.12) r0 cosα 0 Ở đây: v0- vận tốc cửa ra cánh hướng; Z0- số cánh hướng; α0- góc tạo bởi v0 và u. ' Do khoảng cách giữa mép ra cánh hướng và mép vào cánh BXCT rất nhỏ nên r0= r 1 ; vu0= v u 1 . v r a b Z Do đó: Q = u0 1 0 0 0 r0 cosα 0 Thế trị số vu2 trong công thức (2.6) và vu1 r 1 vào công thức (2.3) ta có: Qr0 cosα 0 0 ηtl gH −()u2 r 2 + K 1 Qr 2 cot g() 180 −β 2 = a0 Z 0 b 0 ω ηtl gH + u2 r 2 Q = ω (2.13) r0 cosα 0 0 + K1 r 2 cot g() 180 − β 2 a0 Z 0 b 0 Từ phương trình trên ta thấy, lưu lượng nước chảy qua tuabin quyết định bởi trạng thái dòng chảy ở mép ra của bộ phận hướng nước (b0, a0, α0) và bánh xe công tác (góc β2) và phụ thuộc vào vận tốc góc quay (ω) của BXCT. Buồng xoắn và ống hút chỉ làm thay đổi hiệu suất mà không có ảnh hưởng mấy đến khả năng thoát nước của tuabin. Hình 2.7: Dòng chảy trong cánh hướng nước Từ phương trình (2.12) ta thấy, khi số vòng quay của BXCT và chiều cao b0 của BPHN không đổi, lưu lượng qua tuabin Q có thể thay đổi bằng các biện pháp sau: 1- Chỉ quay cánh hướng nước, tức chỉ thay đổi a0 và α0 còn góc β2 không đổi (điều chỉnh tuabin tâm trục và cánh quạt). 2- Chỉ quay cánh BXCT tức thay đổi góc β2 còn a0 và α0 không đổi (điều chỉnh tuabin cánh quay với các cánh hướng không quay quanh trục của chúng). 3- Cùng quay cả cánh hướng lẫn cánh BXCT, tức thay đổi α0, a0 và β2 (điều chỉnh tuabin cánh quay). Trong các tuabin cỡ nhỏ, lưu lượng thường điều chỉnh theo cách sau đây: a) Thay đổi chiều cao BPHN b0 bằng cách xê dịch nắp tuabin hoặc van hình trụ đặc biệt (thùng chụp). Ở cách này muốn giữ cho góc α0 không đổi thường phải bố trí ở phía trước BXCT các cánh hướng nước không quay được. Khi không có cánh hướng nếu lúc đầu ta giảm b0 thì lưu lượng giảm chậm và chỉ khi b0 khá nhỏ, lưu lượng mới giảm rõ rệt do tác dụng tiết lưu tạo nên.
b) Dùng một cánh hướng (van lưỡi gà) đặt ở trong buồng xoắn hoặc quay “răng” buồng xoắn. Ở dây thực chất chỉ thay đổi góc α0. Sự điều chỉnh trong các tuabin có cánh hướng nước quay được khác với sự điều chỉnh lưu lượng bằng van tiết lưu về nguyên tắc. Ở trường hợp sau, lưu lượng thay đổi nhờ sự hình thành tổn thất thủy lực trong các thiết bị tiết lưu (thùng chụp, van phẳng v.v ), còn điều chỉnh lưu lượng bằng cách quay cánh hướng thì tổn thất thủy lực trong đó rất nhỏ và không ảnh hưởng rõ rệt đến lưu lượng nước chảy qua tuabin nhất là trong vùng độ mở bình thường của nó. Quay cánh hướng làm thay đổi trạng thái dòng chảy ở trước cửa vào BXCT do đó mà làm thay đổi lưu lượng. Nếu các cánh hướng quay ở vị trí hướng kính thì tiết diện ra của chúng lớn nhất. Khi đó, nếu tiếp tục quay cánh hướng về phía mở thì từ phương trình (2.8) ta thấy lưu lượng Q còn có thể tăng lên (lúc này cosα0 có tị số âm) cho dù lúc đó tiết diện ra của BPHN giảm. Ta xem xét khi điều chỉnh lưu lượng Q phụ thuộc vào số vòng quay (hoặc vận tốc góc ω) như thế nào nếu độ mở a0 không đổi. Muốn vậy ta lấy đạo hàm của Q theo ω và dQ xét dấu của đạo hàm . Nếu kí hiệu biểu thức ở mẫu số của phương trình (2.8) là A dω (A > 0), ta có: dQ gH gH dη dQ u2 −η gH gH dη A = −η +r 2 + tl ↔ A = 2 tl + tl dω tl ω 2 2 ω dω dω ω 2 ω dω dη ở đây, có thể cho tl = 0 (hiệu suất thủy lực ít phụ thuộc vào ω khi số vòng quay dω thay đổi bé). Do đó: dQ u2 −η gH A = 2 tl dω ω 2 Như vậy, trong trường hợp a0 không đổi thì: a) Khi u2 = ηtl gH , lưu lượng không phụ thuộc vào số vòng quay; b) Khi u2 > ηtl gH , lưu lượng Q tăng khi tăng n. c) Khi u2 < ηtl gH , lưu lượng Q giảm khi tăng n. Trường hợp đầu đặc trưng cho các tuabin tâm trục tỉ tốc trung bình; trường hợp giữa đặc trưng cho các tuabin tâm trục tỉ tốc lớn, còn trường hợp sau – tỉ tốc bé. 2.7. Câu hỏi chương 2 1. Khái niệm về chuyển động tương đối, tuyệt đối, tam giác tốc độ của dòng chảy trong bánh xe công tác của tuabin? 2. Thành lập phương trình cơ bản của tuabin phản kích, nêu ý nghĩa của phương trình? 3. Thành lập phương trình cơ bản của tuabin xung kích, nêu ý nghĩa của phương trình?
CHƯƠNG 3: THUYẾT TƯƠNG TỰ VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG QUY DẪN CỦA TUABIN 3.1. Khái niệm cơ bản Thiết kế tuabin cũng như bất kì một loại máy năng lượng nào, nói chung đều phải đạt được những yêu cầu kỹ thuật nhất định như có đủ độ bền cơ học, kết cấu hợp lí, hiệu suất cao, bền chắc và dễ gia công. Riêng đối với tuabin, cần đảm bảo những yêu cầu sau đây: 1. Trong mọi chế độ làm việc đều phải đảm bảo chỉ tiêu năng lượng và khí thực cao, nói cách khác máy phải có hiệu suất cao còn hệ số khí thực σ bé. 2. Với cột nước làm việc đã cho, tuabin phải phát đủ công suất yêu cầu còn kích thước và trọng lượng của nó nhỏ. 3. Tuabin phải có kết cấu hợp lí, gọn nhẹ để dễ bố trí các thiết bị của chúng trong nhà máy. 4. Máy làm việc tin cậy và tuổi thọ dài. Những vấn đề này hiện nay thường được giải quyết bằng con đường tính toán thủy lực và tính toán độ bền các chi tiết máy kết hợp với nghiên cứu bằng thực nghiệm, với các tuabin thu nhỏ gọi là mô hình tuabin. Để đảm bảo độ tin cậy giữa kết quả nghiên cứu trên mô hình và trên tuabin thực ta cần có các điều kiện, các tiêu chuẩn về quan hệ tương tự giữa mô hình và nguyên hình. Sau đây sẽ trình bày những khái niệm rất cơ bản về thuyết tương tự của mô hình thủy lực nói chung và tuabin nói riêng. 3.2. Các điều kiện tương tự Hai mô hình thủy lực được coi là hoàn toàn tương tự về cơ học khi chúng thoả mãn ba điều kiện sau đây: 3.2.1. Tương tự về hình học Điều kiện này đòi hỏi sự tương tự về hình dạng ngoài của các phần nước qua của tuabin. Hai tuabin thực (T) và mẫu (M) được coi là tương tự về hình học khi: - Toàn bộ các kích thước dàI, bề mặt các phần nước qua tại các điểm tương ứng của chúng tuân theo một tỉ lệ: D1T b0T = =λ1 = const D1M b0M - Các bề mặt tại các điểm tương ứng của chúng phải được bố trí với một góc độ như nhau β1T = β 1M , β 2T = β 2M , ϕTM` = ϕ Các tuabin có kích thước khác nhau nhưng tương tự về hình học làm thành một kiểu tuabin. 3.2.2. Tương tự về động học
Hai tuabin thực (T) và mẫu (M) được coi là tương tự nhau về động học khi: điều kiện tương tự này đòi hỏi sự tương tự về trường vận tốc dòng chảy tại các điểm tương ứng trong các phần nước qua của các tuabin cùng kiểu. Điều này có nghĩa là hình tam giác vận tốc tại các điểm tương ứng của dòng chảy phải động dạng với nhau. Chế độ làm việc của tuabin đặc trưng bởi sự tương tự về động học được gọi là chế độ “cùng góc”. uT wT vT = = =λ2 = const uM wM vM α TM= α , βTM= β 3.2.3. Tương tự về động lực học Điều kiện này đòi hỏi sự tương tự về lực tác dụng lên hai tuabin thực (T) và mẫu (M) là tương tự động lực học khi các tỉ số lực cùng tên (thuộc về một đơn vị thể tích chất lỏng) tác dụng lên các thành phần tương ứng của tuabin thực và mẫu phải bằng nhau. Lí thuyết tương tự về mô hình thủy lực đã chứng minh rằng với hai hệ thống thủy lực tương tự về hình học, nếu các các đại lượng không thứ nguyên sau đây của chúng bằng nhau thì sẽ thoả mãn tương tự về cơ học (tương tự về động học và động lực học): vL - Số Râynôn R = đặc trưng cho lực nhớt của dòng chảy; e υ v 2 - Số Frút F = đặc trưng cho lực trọng trường; r gL p - Số Ơle E = đặc trưng cho áp lực. u ρv 2 v - Số Strakhala S = đặc trưng cho lực quán tính h nL Yêu cầu: RReM = eT , FFrM = rT , EEuM = uT , SShM = hT trong đó: L, n – kích thước dài và số vòng quay; ρ, υ - mật độ và độ nhớt động học của chất lỏng; v, p – vận tốc và áp lực của dòng chất lỏng. Các đại lượng không thứ nguyên kể trên gọi là các chuẩn số tương tự cơ học. Trong thực tế làm thí nghiệm thường chỉ bảo đảm được sự giống nhau về chuẩn số Sh và Eu của tuabin thực và mẫu, khó đảm bảo được sự cân bằng về chuẩn số Fr và không bao giờ tuân thủ được điều kiện cân bằng về số Re. Nói cách khác trong thực tế thí nghiệm mô hình không thể đảm bảo điều kiện tương tự về động lực học, vì rằng kích thước của mẫu bao giờ cũng nhỏ hơn nhiều (khoảng từ 10 ÷ 40 lần) so với tuabin thực, và cột nước thí nghiệm cũng bé hơn cột nước làm việc thực tế của tuabin HT =
(10 ÷ 100)HM. Bởi thế, số Râynôn Re của tuabin thực cũng lớn hơn từ 50 ÷ 100 lần số Re của tuabin mẫu. Tuy nhiên, thực nghiệm cho thấy, đa số thí nghiệm mô hình đều quan sát thấy số Râynôn ReM = 105, với trị số này thì sự thay đổi của Re sẽ không có ảnh hưởng mấy đến trạng thái dòng chảy trong tuabin nữa. Sự khác nhau về số Re cũng ⎛ Δ ⎞ như độ nhám tương đối ⎜ ⎟ của mẫu và thực dẫn đến sự khác nhau về tổn thất tương ⎝ D1 ⎠ đối, do đó hiệu suất sẽ được tính nhờ các công thức kinh nghiệm xác định độ hiệu chỉnh hiệu suát của tuabin. vấn đề này sẽ được đề cập ở chương sau. 3.3. Các hệ số vận tốc dòng chảy trong BXCT Ta hãy xác định tương quan giữa các trị số vận tốc tương đối, tuyệt đối và theo các góc α1, α2, β1, β2 và cột nước của tuabin tại cửa vào và cửa ra của BXCT. Từ tam giác tốc độ ta có V W U = = (3.1) sinβ sinα sin(β − α ) Tương ứng với tam giác vận tốc cửa vào và cửa ra ta có: U1 sinβ1 U2 sinβ2 V1 = , V2 = sin(β1 − α 1 ) sin(β2 − α 2 ) D 2 Thay trị số V1, V2, U2 = k.U1, k = vào phương trình (2.3) ta được D1 2 2 2 U1 sinβ1 cos α1 k U1 sinβ2 cos α2 ηtlgH = − sin(β1 − α 1 ) sin(β2 − α 2 ) sin(β1− α 1 )sin(β2− α 2 ) Vậy U1 = ηtl gH 2 sinβ1 cos α1 sin( β−α−2 2 ) k sin β2 cos α2 sin( β−α1 1 ) U1= K U η tl gH (3.2) Tương tự ta rút ra được biểu thức V1= K V η tl gH (3.3) W1 = KW η tl gH (3.4) D 2 Các hệ số K U , K V , K W phụ thuộc vào góc của tam giác tốc độ và tỷ số , ta D1 gọi là hệ số vận tốc dòng chảy trong BXCT tuabin. Từ các công thức (3.2), (3.3), (3.4) ta thấy nếu hai loại tuabin cùng kiểu (tương tự nhau về hình học) và làm việc với chế độ cùng góc (tương tự về động học) thì α1 ,β1 ,α2 ,β2 của tam giác tốc độ cửa vào và cửa ra của BXCT bằng nhau thì hệ số vận tốc bằng nhau. Từ đó suy ra mối tương quan giữa các thông số của tuabin tương tự.
3.4. Tương quan giữa số vòng quay, lưu lượng và công suất của hai tuabin cùng kiểu làm việc với chế độ cùng góc Ta kí hiệu cột nước, đường kính, số vòng quay, lưu lượng, công suất, hiệu suất của tuabin thứ nhất lần lượt là HM, DM, nM, QM, NM, ηM, ηtlM, ηqM, ηcgM, còn tuabin thứ hai HT, DT, nT, QT, NT, ηT, ηtlT, ηqT và ηcgT. Hai tuabin này tương tự nhau ta có: 3.4.1. Quan hệ về số vòng quay Trước hết ta hãy tìm mối liên hệ về số vòng quay của hai tuabin tương tự này. Vận tốc vòng tại cửa vào của tuabin mẫu là: πD n UK= η gH = 1MM M UM tlM M 60 πD n Còn tuabin thực là: U= K η gH = 1T T I UT tlT T 60 Ở chế độ làm việc cùng góc thì: KUM = KUT nên sau khi chia phương trình thứ nhất cho phương trình thứ hai thì ta được: n DH η M = 1T M tlM (3.5) n T DH1M Tη tlT 3.4.2. Quan hệ về số lưu lượng Lưu lượng nước chảy vào BXCT tỉ lệ với diện tích tiết diện ướt của BXCT và vận tốc tương đối, tức: Qb = ηbQ = F.w (3.6) Ở đây: F- diện tích tiết diện ướt thẳng góc với vận tốc tương đối w, w có thể lấy bằng vận tốc tương đối bình quân ở cửa vào BXCT, vậy: ηqMQ M = F 1M w 1M = FM K WM ηtlM gH M ηqTQ T = FTM w TM = FT K WT ηtlT gH T Đối với các tuabin cùng kiểu thì tỉ số diện tích tiết diện F tỉ lệ với bình phương đường kính nghĩa là: 2 F1M D1M = 2 F1T D1T Từ đó ta có liên hệ giữa hai tuabin tương tự như sau: Q DH2 η η M = 1M M qM tlM (3.7) 2 Q T DH1T Tη qT ηtlT 3.4.3. Quan hệ về cột nước tuabin
2 2 H M ⎛ n M ⎞ ⎛ D1M ⎞ ηtlT Từ (3.5) ta có: = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ (3.8) H T ⎝ n T ⎠ ⎝ D1T ⎠ ηtlM 3.4.4. Quan hệ về công suất Công suất của tuabin mẫu M: NM = 9,81QMHMηM Công suất của tuabin thực T: NT = 9,81QTHTηT Q Thế tỉ số M trong công thức (3.7) vào phương trình trên ta được: Q T N DHH2 η η η M = 1M M M M qM tlM (3.9) 2 N T DHH1T T Tη T η qT ηtlT Các công thức (3.5), (3.7), (3.8), (3.9) chỉ sự liên hệ giữa các thông số công tác đối với chế độ tương tự (chế độ cùng góc) gọi là các công thức tương tự của tuabin. Trong thực tế tính toán thiết kế người ta chọn tuabin ở bước ban đầu thường tính gần đúng, bỏ qua sự khác nhau về các dạng hiệu suất của mô hình và thực. Ta có quan hệ gần đúng sau: n DH M = 1T M n T DH1M T Q DH2 M = 1M M (3.10) 2 Q T DH1T T N DHH2 M = 1M M M 2 N T DHH1T TT 3.5. Các đại lượng quy dẫn 3.5.1. Khái niệm chung Trong thiết kế tuabin, các thông số của tuabin (H, Q, n, N) không thể đặc trưng cho các tuabin cùng loại tương tự với nhau. Để đặc trưng cho cùng một loại tuabin tương tự với nhau người ta dùng các đại lượng quy dẫn. Các đại lượng này mang tính chất ước lệ không phải là giá trị thực của ' một loại tuabin. Các đặc trưng quy dẫn của tuabin là các trị số vòng quay quy dẫn n1 , ' ' lưu lượng quy dẫn Q 1 và công suất quy dẫn N 1 của một tuabin có đường kính BXCT D1 ≈ 1m, làm việc với cột nước H = 1m. 3.5.2. Các đặc trưng quy dẫn của tuabin ' ' ' Từ công thức (3.10) nếu D1M = 1m, HM = 1m, gọi nM, QM, NM là n1 , Q1 , N 1 , và bỏ các chỉ số T tức là viết D1T, HT, QT, nT, NT thành ra D1, H, Q, n, N, ta có các công thức tính các đại lượng quy dẫn.
nD n ' = 1 (3.11) 1 H Q Q ' = (3.12) 1 2 DH1 N N ' = (3.13) 1 2 DHH1 Như vậy các tuabin tương tự nhau thì có cùng một đại lượng quy dẫn. Vậy khi thiết kế tuabin nếu chọn được một mô hình nào đó có đường kính D1M = 1m, HM = 1m và ' ' ' các đại lượng quy dẫn n1 , Q1 , N 1 thì có thể xác định các thông số của tuabin sẽ thiết kế theo công thức n' H n = 1 D1 ' 2 QQDH= 1 1 (3.14) ' 2 ' 2 NNDHHQDHH= 1 1 = 9,81η 1 1 3.5.3. Quan hệ giữa các đại lượng quy dẫn với dạng cánh BXCT và chế độ làm việc của nó Ta hãy xét xem các đại lượng quy dẫn phụ thuộc vào những yếu tố nào đối với các tuabin cùng kiểu làm việc với chế độ “cùng góc”. Từ (3.2) ta có: πD n u= K gη H = 1 1 u tl 60 nD 60K gη Do đó: n ' =1 = u tl (3.15) 1 H π Còn lưu lượng qua BXCT là: Qb = FKw gη tl H 2 Sau khi thế FD= α 1 với (α - hệ số tỉ lệ) ta có: 1 2 Q= α D1 Kw g ηtl H ηq Q αK g η Do đó : Q' = = w tl (3.16) 1 2 DH1 ηq ' Công suất quy dẫn N1 bằng: ' ' 9,81α NQ1 =9,81 1η = Kwη g ηtl (3.17) ηq
Công thức (3.15), (3.16) và (3.17) cho thấy, các đại lượng quy dẫn phụ thuộc vào hiệu suất thủy lực, hiệu suất dung tích và hiệu suất toàn phần; vào hệ số vận tốc Ku, F Kw, và α = 2 trong đó hệ số vận tốc Ku, Kw lại phụ thuộc vào các góc α1, β1, α2, β2. D1 3.5.4. Sự liên hệ giữa các đại lượng quy dẫn của các tuabin cùng kiểu có hiệu suất khác nhau. Chúng ta xác định sự liên hệ giữa số vòng quay quy dẫn của các tuabin cùng kiểu làm việc với chế độ “cùng góc” khi có xét đến sự khác nhau về hiệu suất. Từ phương trình (3.5) ta có: nMM D1 nTT D1 ηtlM ' ' ηtlM = hoặc n1M = n1T (3.18) H M HT ηtlT ηtlT Lưu lượng quy dẫn tính theo công thức (3.7) ta được: Q Q η η η η M = T qT tlM hoặc QQ' = ' qT tlM (3.19) 2 2 1M 1T DH1M M DH1TT ηqM ηtlT ηqM ηtlT Còn công suất tính theo công thức (3.9) ta được: N N η η η M = T M qT tlM (3.20) 2 2 DHH1MM M DHH1TTT ηT η qM ηtlT ' ' ηM η qT ηtlM hoặc NN1M = 1T (3.21) ηT η qM ηtlT Qua các công thức (3.18), (3.19), và (3.20) ta thấy các đại lượng quy dẫn của tuabin thực bao giờ cũng lớn hơn mẫu của nó vì có sự khác nhau về hiệu suất. Khi làm thí nghiệm ta thường chỉ tìm được hiệu suất toàn phần nên để chính xác hơn ta giả thiết như sau: Giả thiết rằng, hiệu suất dung tích của tất cả các tuabin cùng kiểu đều bằng nhau, còn tỉ số hiệu suất thủy lực đối với chế độ làm việc đang xét bằng tỉ số hiệu suất toàn phần, tức: η η η qT = 1; tlT = T ηqM ηtlM ηM Với giả thiết trên, công thức tính các đại lượng quy dẫn theo giả thiết gần đúng lần thứ hai có dạng như sau: ⎛ η ⎞ n' = n' ⎜ T ⎟ (3.22) 1T 1M ⎜ ⎟ ⎝ηM ⎠ ⎛ η ⎞ QQ' = ' ⎜ T ⎟ (3.23) 1T 1M ⎜ ⎟ ⎝ηM ⎠
⎛ η ⎞ η NN' = ' ⎜ T ⎟ T (3.24) 1T 1M ⎜ ⎟ ⎝ηM ⎠ ηM 3.6. Số vòng quay đặc trưng của tuabin (tỷ tốc ns của tuabin) Trong ngành máy thủy lực để biểu thi đặc trưng tổng hợp của các thông số cơ bản của máy H, Q, N, n người ta dùng một hệ số gọi là số vòng quay đặc trưng hay hệ số tỷ tốc, ký hiệu là ns. Đối với tuabin nước số vòng quay đặc trưng ns là số vòng quay của tuabin khi làm việc ở cột nước H = 1m, phát ra công suất N = 1 mã lực (1 mã lực = 0,736 kW). Từ công thức (3.5) và (3.9) về quan hệ tương tự của các thông số. n DH η M = 1TM tlM nT D1MT Hη tlT N DHH2 η η η M = 1MM M M qT tlM (3.25) 2 NT DHH1TTT ηT η qM ηtlT Nếu tuabin thực có thông số nT = n, HT = H, NT = N, D1T = D1, QT = Q còn tuabin mô hình tương tự của nó có thông số HM = 1m, NM = 1 mã lực thì nM = ns. Coi hiệu suất của hai tuabin bằng nhau ta có: n 1 = N (3.26) 2 2 ns H H n N(m· lùc) ns = 5 (3.27) H 4 Nếu tính N bằng kW thì công thức (3.27) sẽ có dạng: n N(kw) ns = 1,167 5 (3.28) H 4 Công thức (3.27) và (3.28) để xác định tỉ tốc ns của tuabin khi công suất N và cột ' ' nước H đã biết. Nếu chỉ biết các đại lượng quy dẫn n1 và Q1 thì công thức tính ns nên viết dưới dạng sau: ' n1 H ' 2 Vì: n = còn N (mã lực) = 13,33Q1 η D1 H H D1 n' H13,33 Q'η D2 H H Nên: n = 1 1 1 = n' N ' s 4 1 1 DHH1 ' ' ' ' ns = n1 13,33 Q1η = 3,65 n1 Q1η (3.29)
' 3 Trong đó: Q1 - lưu lượng quy dẫn (m /s) Số vòng quay đặc trưng (ns) là hệ số tổng hợp có tính chất đặc trưng cho các thông số chính của tuabin. Nó không phải là số vòng quay thực tế của tuabin. Nếu cho trước các thông số của tuabin H, Q, N, n và đặc tính ns theo công thức (3.27) thì giá trị ns tính được sẽ là số vòng quay của mô hình tương tự với tuabin (sẽ thiết kế) làm việc với cột nước HM = 1m phát ra công suất NM = 1 mã lực. Mỗi kiểu tuabin do phạm vi làm việc về cột nước H và công suất N khác nhau nên ns cũng khác nhau. Loại tuabin hướng trục có cột nước thấp, công suất lớn mặc dù số vòng quay thực tế nhỏ nhưng lưu lượng lớn nên số vòng quay đặc trưng lớn (ns = 500 ÷ 950). Loại tuabin gáo làm việc với cột nước H cao, công suất nhỏ, lưu lượng nhỏ nên số vòng quay đặc trưng cũng nhỏ (ns = 5 ÷ 70) (hình 3.1). Các tuabin tương tự thì đều có chung một số vòng quay đặc trưng không phụ thuộc vào đường kính và các thông số khác như H, Q, N. Nếu hai tuabin có cùng công suất N tuabin nào có ns lớn hơn thì D1 bé hơn và n cao hơn dẫn đến kích thước máy phát điện nhỏ hơn và kích thước nhà máy cũng giảm nhưng hệ số khí thực lại lớn hơn. Hiện nay, một số nước định nghĩa hệ số tỷ tốc là tốc độ quay của tuabin khi làm việc ở H = 1m phát ra công suất 1kW. Vì vậy nếu tính tỷ tốc theo công thức n N(Kw) ns = 5 thì sẽ nhỏ hơn trị số ns tính theo công thức (3.28) H 4 3.7. Hiệu suất của hai tuabin tương tự về hình học (cùng kiểu) Qua sự phân tích trên đây ta nhận thấy, nói chung hai tuabin cùng kiểu nhưng kích thước hình học to nhỏ khác nhau và làm việc với cột nước khác nhau thì hiệu suất của
chúng không bằng nhau. Đường kính BXCT và cột nước làm việc càng tăng thì hiệu suất càng tăng lên. Hiện nay, để đánh giá hiệu suất của các tuabin phản kích khi làm việc ở điều kiện có hiệu suất cao nhất (chế độ tối ưu) thường sử dụng các công thức tính đổi sau đây. 1. Với các tuabin mà khi làm thí nghiệm mô hình ta chỉ có thể xác định được kiệu suất toàn phần η thì: a) Nếu cột nước làm việc H ≤ 150m: D1M 5 ηTt − =1 − (1 −ηMt − ) (3.33) D1T b) Nếu cột nước làm việc H > 150m: D1M H M 5 20 ηTt− =1 − (1 − ηMt− ) (3.34) D1T H T 2. Với các tuabin mà khi làm thí nghiệm mô hình ta có thể xác định được hiệu suất thủy lực với mọi trị số cột nước làm việc thì: ⎡ ⎤ R eM 6 ηtlT =1 − (1 −ηtlM )⎢ε +()1 − ε ⎥ (3.35) ⎣ R eT ⎦ ở đây: ηTtư, ηMtư – hiệu suất toàn phần tối ưu của tuabin thực và tuabin mẫu; ηtlT, ηtlM – hiệu suất thủy lực của tuabin thực và tuabin mẫu; HT, HM – cột nước làm việc của tuabin thực và tuabin mẫu; ReT, ReM –số Râynôn của tuabin thực và tuabin mẫu; ε - số phần trăm hiệu suất không thể tính đổi được, ε phụ thuộc vào chế độ làm việc của tuabin. Với trạng thái làm việc tối ưu của tuabin thì ε = 0,5. Còn theo mục 3.2 thì: R D H eM = 1M M R eT D1T H T D1T, D1M - đường kính BXCT của tuabin thực và tuabin mẫu. Thế trị số ε và Re, ta tính được hiệu suất của tuabin làm việc với chế độ tối ưu theo công thức sau đây: ⎛ ⎞ D1M H M η =1 − 0,5(1 −η )⎜ 1 + 6 12 ⎟ (3.36) tlTt− tlMt− ⎜ ⎟ ⎝ D1T H T ⎠ Công thức (3.35) được xác lập trên cơ sở phân tích một cách toàn diện các dạng tổn thất năng lượng trong tuabin, nên nó là công thức có cơ sở lí luận hơn cả. Còn các công thức (3.33) và (3.34) có tính chất gần đúng vì rằng khi suy diễn các công thức này, người ta giả thiết tổn thất chủ yếu trong tuabin là tổn thất do ma sát giữa chất lỏng với thành kênh dẫn (tổn thất dọc đường). Giả thiết trên không hoàn toàn chính xác vì
trong thực tế có một phần tổn thất còn phụ thuộc vào số Râynôn. Nói chung số Râynôn của tuabin mẫu khác của tuabin thực nên tổn thất tương đối cũng như hiệu suất sẽ thay đổi khi chuyển từ mẫu sang tuabin thực tế. Ngược lại, còn một phần tổn thất khác (như tổn thất do dòng chảy bị co hẹp trong BXCT, tổn thất ở cửa ra của ống hút và các tổn thất khác) thì không thay đổi cho cả tuabin mẫu và tuabin thực, đó là phần không thể tính đổi được. Trên đây chỉ đề cập đến việc tính đổi hiệu suất của tuabin theo hiệu suất của tuabin mẫu khi cả hai đều làm việc với chế độ lợi nhất. Công việc tính đổi nói trên với các chế độ làm việc không tối ưu sẽ được giới thiệu ở chương sau. 3.8. Câu hỏi chương 3: 1. Trình bày các điều kiện tương tự của hai tuabin thực và tuabin mẫu 2. Khái niệm về các thông số dẫn xuất của tuabin? Viết công thức tính các thông ’ ’ số dẫn xuất về số công suất (NI’), lưu lượng (QI ), số vòng quay (nI ) của tuốc bin? Giải thích rõ các thành phần trong công thức? 3. Khái niệm về tỷ tốc của tuabin? Viết và giải thích các thành phần trong công thức tính tỷ tốc của tuabin?
CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ DẪN NƯỚC VÀ THÁO NƯỚC CỦA TUABIN PHẢN KÍCH Tuabin phản kích có thiết bị nước vào vỏ máy (hoặc buồng tuabin) và thiết bị tháo nước – ống hút có công dụng đặc biệt. Vỏ máy và ống hút là những bộ phận chủ yếu không thể tách rời được trong tuabin phản kích. Buồng tuabin lắp ở mặt ngoài cùng của tuabin, ống hút lắp ở mặt sau cùng của tuabin. Hình dạng bề mặt ngoài và kích thước của chúng đều ảnh hưởng rất lớn đến kích thước, cách bố trí và kết cấu của buồng máy thủy điện, đồng thời cũng ảnh hưởng đến độ sâu đào và khối lượng đào móng buồng máy. Đặc biệt là ở những nhà máy thủy điện vừa và lớn thì buồng tuabin và ống hút là một trong những thành phần chủ yếu của bộ phận dưới nước của buồng máy (thuộc bộ phận chôn sẵn của tuabin). Thông thường khi thi công buồng máy thì chôn sẵn chúng vào khối bê tông lớn của bộ phận dưới nước. Vì vậy hình thức và kết cấu của chúng lựa chọn có hợp lý hay không sẽ ảnh hưởng đến kỹ thuật và chỉ tiêu kinh tế, động năng của nhà máy thủy điện. Trong chương này chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu về tác dụng, loại hình điều kiện ứng dụng, cấu tạo và tính toán kích thước chủ yếu của buồng tuabin và ống hút. PHẦN I: BUỒNG TUABIN 4.1. Phân loại, tác dụng và cấu tạo của buồng tuabin 4.1.1. Tác dụng và phân loại Buồng tuabin làm nhiệm vụ dẫn nước từ đường ống áp lực vào bánh xe công tác và hình thành đặc tính của dòng chảy trước mép vào cánh hướng dòng. Yêu cầu của buồng tuabin phải thoả mãn các điều kiện chủ yếu sau: - Đảm bảo phân bố đều dòng chảy theo chu vi trước các mép vào cánh hướng nước để tạo nên dòng chảy đối xứng với trục tuabin. - Đảm bảo tổn thất trong buồng tuabin là nhỏ, ảnh hưởng ít đến đặc tính năng lượng của tuabin. - Ngoài ra trong trạm thủy điện thì buồng tuabin là bộ phận có kích thước ngang lớn nhất vì vậy buồng phải có kích thước ngang nhỏ. - Kinh nghiệm cho thấy kích thước và hình dạng (chỉ chiều rộng mặt bằng B, chiều cao tiết diện vào, góc bao ϕ của buồng) của buồng tuabin có ảnh hưởng đến tổn thất năng lượng trong buồng và các phần nước qua tiếp theo của tuabin (stato, bộ phận hướng nước và bánh xe công tác). Nói chung buồng tuabin có kích thước lớn thì có hiệu suất cao hơn, mặt khác kích thước buồng quyết định khối tuabin và kích thước phận dưới nước của nhà máy, do đó mà nó có liên quan trực tiếp đến giá thành xây dựng của TTĐ. Sau đây là các kiểu tuabin và phạm vi sử dụng chúng. 4.1.2. Các kiểu buồng tuabin và phạm vi ứng dụng
Dựa vào sự phụ thuộc vào cột nước và công suất của TTĐ mà buồng tuabin gồm các kiểu: hở, chính diện và buồng xoắn. Hình 4.1 biểu thị phạm vi ứng dụng của các kiểu buồng tuabin. Buồng tuabin kiểu hở dùng cho cột nước H < 5 ÷ 6m với tuabin cỡ nhỏ có đường kính D1 ≤ 1,2m. Vận tốc nước V trong kiểu buồng này không được vượt quá 1m/s. Ưu điểm của loại buồng này là dòng được dẫn đều vào cánh hướng, tổn thất nhỏ. Nhược điểm là khoảng cách giữa các tổ máy phải đủ lớn, bề rộng trạm lớn B ≥ 4D1, không dùng được cho các trạm có cột nước và kích thước tuabin lớn. Hình 4.1: Phạm vi ứng dụng của các kiểu buồng tuabin Buồng chính diện (hình ống) hoặc buồng kim loại dẫn nước theo hướng chính diện được sử dụng với cột nước 5,5 ÷ 25m trong các tuabin trục ngang (tâm trục) với đường kính D1 = 0,1 ÷ 1,0m. Các kích thước cơ bản của hai kiểu buồng nói trên giới thiệu ở phần cuối của chương này. Buồng xoắn là kiểu buồng tuabin được dùng phổ biến nhất hiện nay. Kiểu buồng này bảo đảm dẫn nước vào tuabin với kích
thước mặt bằng của tuabin nhỏ nhất. Hình 4.2: Sơ đồ buồng xoắn Phụ thuộc vào cột nước, buồng xoắn có thể làm bằng bê tông hoặc kim loại. Buồng xoắn bê tông: thông thường loại này có tiết diện hình thang, góc ôm nhỏ dùng cho các trạm có cột nước trung bình và nhỏ (H = 3 ÷40m) với các thông số chủ 0 0 yếu sau B = (2,5 ÷ 3,5)D1, ϕ = 180 ÷ 225 . Buồng xoắn kim loại có tiết diện tròn hoặc elíp dùng cho trạm có cột nước trung 0 0 bình và cao H >45m, B = (2,5 ÷ 4)D1, ϕ = 345 ÷ 360 . Ngoài các kiểu buồng nói trên, hiện nay có một số trạm cột nước khoảng 200 ÷ 300m dùng buồng xoắn hỗn hợp hỗn hợp bê tông và kim loại. Buồng tuabin của tổ máy Capxun. Buồng này dùng cho cột nước H =3 ÷ 15m. Buồng có dạng vành, trục buồng xoắn trùng với trục tổ máy. Tiết diện vào của buồng, chỗ nối với bộ phận lấy nước của TTĐ là hình chữ nhật sau đó chuyển dần sang tiết diện hình tròn. Phạm vi sử dụng của các kiểu buồng tuabin phụ thuộc vào cột nước và công suất (hình 4.1). 4.1.3. Các thông số cơ bản của buồng xoắn Các thông số cơ bản của buồng xoắn gồm có: góc bao ϕmax, vận tốc bình quân của dòng nước tại cửa vào buồng xoắn vv và hình dạng tiết diện buồng xoắn. Ta hãy tìm hiểu những yếu tố ảnh hưởng đến các thông số nói trên và cách lựa chọn chúng. Góc bao của buồng xoắn ϕmax và diện tích tiết diện vào của nó: Kết quả thí nghiệm mô hình cho thấy, tổn thất năng lượng trong tuabin, vòng bệ và bộ phận hướng nước (khi chiều rộng gian máy đã cho) phụ thuộc vào quan hệ giữa diện tích tiết diện vào Fv buồng xoắn đã chọn với góc bao. Khi kích thước tiết diện vào của buồng đã chọn, nên tăng góc bao ϕmax, một mặt sẽ làm cho dòng chảy phân bố đều chu vi bộ phận hướng nước, bảo đảm được điều kiện dòng đối xứng trong tuabin, nhưng lại làm tăng vận tốc dòng nước trong phần xoắn và hình thành dòng chảy xoáy. Kết quả là làm tăng tổn thất năng lượng trong bộ phận hướng nước. Vì vậy khi chiều rộng buồng xoắn B = B1 + B2 (hình 4.2) đã biết, cần chọn quan hệ giữa Fv và ϕmax sao cho tổn thất năng lượng trong tuabin là nhỏ nhất. Phương án buồng xoắn lợi nhất được lựa chọn trên cơ sở các thí nghiệm mô hình BXCT đã chọn với các kiểu buồng xoắn khác nhau. Kinh nghiệm cho thấy, chiều rộng gian máy là nhỏ nhất khi chọn buồng xoắn với 0 góc bao ϕmax = 180 . Vì vậy đối với các trạm thủy điện cột nước thấp, lưu lượng lớn (TTĐ kiểu lòng sông) để giảm bớt giá thành xây dựng TTĐ nên chọn buồng xoắn với 0 0 góc bao ϕmax = 180 ÷ 192 . Đồng thời với kiểu buồng này, khoảng cách từ bên thành bên phải buồng đến trục tổ máy B2 = (1 ÷ 1,2)D1. Nếu lấy nhỏ quá sẽ làm giảm hiệu suất của tuabin.
Đối với các TTĐ có cột nước trung bình và cao do lưu lượng tương đối nhỏ, nên góc 0 0 bao ϕmax có thể lấy trị số lớn hơn: ϕmax = 270 ÷ 345 . Với các TTĐ này (đường dẫn và sau đập), chọn buồng xoắn với góc bao lớn cũng sẽ tiện cho việc nối tiếp đường ống áp lực với buồng xoắn. 0 0 Trong giới hạn cột nước H < 80m và góc bao ϕmax = 270 ÷ 315 có thể sử dụng buồng xoắn với tiết diện hình tròn hoặc chữ T. Buồng xoắn kim loại thường có góc 0 0 bao ϕmax = 270 ÷ 345 . Khi tính toán kích thước buồng xoắn thường sử dụng các kết quả nghiên cứu bằng thực nghiệm và các kinh nghiệm thiết kế phần nhà máy của TTĐ. Cũng có thể sử dụng số liệu cho ở bảng 4.1 để chọn góc bao ϕmax. Bảng 4.1: Góc bao ϕmax của các kiểu tuabin 0 Hệ tuabin Phạm vi cột nước ϕmax( ) Cánh quay 3 ÷ 30 180 ÷ 200 Cánh quay và tâm trục 30 ÷ 50 200 ÷ 225 Cánh quay, tâm trục và chéo trục 50 ÷ 75 200 ÷ 225 Tâm trục và chéo trục 95 ÷ 310 315 ÷ 330 Tâm trục 310 ÷ 700 345 ÷ 360 0 0 Thực nghiệm cho thấy, khi góc bao ϕmax giảm từ 180 đến 135 thì hiệu suất tuabin giảm đi từ 0,5 ÷ 1,0%. Vận tốc và hình dạng tiết diện vào buồng xoắn. Vận tốc dòng nước tại cửa vào buồng xoắn vv chọn quá lớn thì tổn thất thủy lực trong buồng xoắn sẽ tăng, làm giảm hiệu suất tuabin. Nhưng nếu vv chọn quá lớn sẽ làm tăng kích thước buồng xoắn. Theo kinh nghiệm của Liên Xô, vv nên chọn theo cột nước (tra đường quan hệ vv – H) hoặc tính theo công thức kinh nghiệm sau đây: vv = kx H Trong đó: H – cột nước tính toán; kx – hệ số kinh nghiệm xét đến tổn thất thủy lực và kích thước kinh tế của buồng xoắn. Theo tài liệu gần đây, hệ số kx lấy trong phạm vi kx = 0,8 ÷ 1,1, trong đó cột nước lớn tương ứng với hệ số vận tốc nhỏ, còn cột nước nhỏ thì lấy hệ số kx lớn. Kinh nghiệm cho thấy vận tốc vv thường dao động trong khoảng vv = 2 ÷ 9m/s. Như vậy vận tốc kinh tế trong đường ống áp lực thường nhỏ thua vận tốc ở cửa vào buồng xoắn. Do đó, giữa ống áp lực và cửa vào buồng xoắn có đoạn ống chuyển tiếp với tiết diện thu hẹp dần.
Hình dạng tiết diện vào buồng xoắn. Đối với tuabin dọc trục cột nước thấp và vừa thường dùng buồng xoắn có tiết diện hình chữ T (thường hình thang), còn đối với TTĐ cột nước cao (H = 50 ÷ 80m) thì tiết diện là hình tròn. Hình dạng tiết diện buồng xoắn còn phụ thuộc điều kiện cụ thể xây dựng nhà máy của TTĐ. Trong cùng điều kiện góc bao ϕmax nhau, buồng có tiết diện hình thang bảo đảm kích thước mặt bằng của gian tổ máy nhỏ nhất, còn tiết diện hình tròn sẽ lớn nhất (hình 4.3) và tỉ số trên chiều rộng b/a của tiết diện càng lớn thì mặt bằng gian máy càng nhỏ. Tỉ lệ giữa chiều cao và chiều rộng của tiết diện hình chữ T nên chọn theo cấu tạo của buồng xoắn, có thể chọn tiết diện với các kiểu trần bằng; kiểu phát triển lên trên so với trục của BPHN; kiểu phát triển xuống dưới hoặc kiểu sàn bằng. Các kích thước của tiết diện cho ở hình (4.4). Các trị số m và n chủ yếu dựa theo yêu cầu bố trí phần dưới nước của nhà máy mà chọn, nó không có ảnh hưởng mấy đến điều kiện thủy lực. Khi n = 0 (hình 4.4d) (trần bằng) hoặc m > n (hình 4.4c) thì có thể giảm thể tích khối bê tông Hình 4.3: Kích thước ngoài các kiểu buồng xoắn phần dưới nước của nhà máy và dễ bố trí động cơ tiếp lực và có thể rút ngắn khoảng cách giữa các trục tổ máy. Tiết diện chữ T phát triển lên trên so với trục BPHN (hình 4.4b) chỉ nên dùng khi ở phía dưới buồng xoắn có bố trí đường hầm xả nước của TTĐ và nếu động cơ tiếp lực đặt ở ngay trên nắp tuabin mà không bố trí trong hầm tuabin. Các góc γ và δ không nên quá nhỏ vì nếu lấy quá nhỏ thì điều kiện thủy lực trong buồng xoắn sẽ kém và khó bố trí động cơ tiếp lực, nếu quá lớn thì tăng khoảng cách trục tổ máy. Kiến nghị dùng như sau: δ = 200 ÷ 350 và thường là 300. Nói chung, khi m ≤ n, thì γ = 200 ÷ 350; còn lúc m > n thì γ = 100 ÷ 200. khi n = 0, γ = 100 ÷ 150. Các trị số khác kiến Hình 4.4: Các dạng tiết diện ngang của nghị chọn như sau: buồng xoắn
Khi m = 0 hoặc n = 0 thì b/a = bv/av = 1,5 ÷ 1,85 (v – chỉ số cho tiết diện cửa vào b− n b− m buồng xoắn); khi m và n ≠ 0 thì và =1,2 ÷ 1,85 và a a m+ n+ b 0 106) vì vậy hệ số tổn thất thủy lực dọc đường tính theo công thức Đácxy và tổn thất sẽ tính theo công thức: V 2 h = ξ bx bx 2g Tính V theo vận tốc tiết diện vào; ' 2 QDH1 1 Vbx = kx H = ϕ 360Fcv Thay vào biểu thức tính hbx và chia cho H ta có: 2 h ϕ ϕ ⎛ QD' 2 ⎞ ⎛ ϕ 2 ⎞ bx =k 2 bx = bx ⎜ 1 1 ⎟ ⎜ ⎟ (*) x ⎜ 2 ⎟ H 2g 2 g ⎝ 360 ⎠ ⎝ Fbx ⎠ Từ biểu thức (*) ta thấy tổn thất trong buồng xoắn phụ thuộc vào góc ôm ϕ, vào sự thay đổi của vận tốc dọc theo chiều dài xoắn và hình dạng của tiết diện buồng xoắn.
V 2 Thực nghiệm cho thấy động năng của buồng xoắn không lớn, vào khoảng (2 ÷ 2gH 4)% và tổn thất năng lượng trong buồng không lớn. Các hệ số tổn thất xác định theo 0 thực nghiệm, đối với buồng xoắn tiết diện hình thang và ϕ = 180 ξbx = 0,07 ÷ 0,09. 0 Đối với buồng xoắn kim loại ϕ = 345 ξbx = 0,22 ÷ 0,24. Tổn thất năng lượng trong buồng xoắn của tuabin hướng trục làm việc ở chế độ tính toán vào khoảng (0,26 ÷ 0,41)%, phụ thuộc vào H. Tổn thất năng lượng trong buồng xoắn của tuabin tâm trục có H = 400 ÷ 500m, ϕ = 3450 vào khoảng (0,22 ÷ 0,25)%, H = 45m ϕ = 3450 vào khoảng (0,60 ÷ 0,67)%. Ảnh hưởng của buồng xoắn đến việc hình thành dòng chảy và gián tiếp đến hiệu suất tuabin phụ thuộc vào kích thước và hình dạng buồng xoắn, dòng chảy ra khỏi buồng xoắn có lượng chảy vòng nào đó tính theo công thức Γ = 2πRV. Lượng chảy vòng này phụ thuộc vào góc ôm ϕ và tiết diện vào. Nếu tăng diện tích và giảm góc ôm thì hiệu số giảm dòng chảy sẽ hướng tâm điểm làm việc tối ưu lệch sang phải (vùng tăng lưu lượng). Nếu giảm diện tích tiết diện vào đối với buồng xoắn thiết kế theo quy luật Vu.R không đổi sẽ làm giảm hiệu suất tuabin. Nếu đồng thời giảm cả diện tích và giảm cả góc ôm thì làm giảm hiệu suất của tuabin và đồng thời gây xâm thực. Tuy nhiên khi thiết kế phải chú ý: nếu tăng kích thước buồng xoắn thì tăng hiệu suất của tuabin nhưng tăng giá thành xây dựng. Cần chọn phương án tối ưu của hai vấn đề trên. ϕ r Qử = QT = ∫ dQϕ = ∫Vu bdr (*) 360 rb K ϕ r K r b Mà Vu = cho nên Qử = QT = ∫ bdr = K ∫ dr ( ) r 360 rb r rb r Lưu lượng nước chảy qua tiết diện vào buồng xoắn ứng với góc ϕmax sẽ là: rv ϕ max b Qv = Qmax = QT = K ∫ dr ( ) 360 rb r 4.2.2. Phương pháp tính toán thủy lực. a. Tính toán buồng xoắn kim loại bằng phương pháp giải tích. *) Tính toán mặt cắt cửa vào: Đối với buồng xoắn kim loại mặt cắt hình tròn kích thước mặt cắt cửa vào do bán kính ρbx của mặt cắt quyết định. Dựa vào công thức 2 QT ϕ max QT ϕ max ( ) ta có: ρ cv = Fv = từ đó suy ra ρ cv = Vv 360 360Vcvπ Trong đó: QT - Lưu lượng qua tuabin; Vcv - Vận tốc dòng chảy tại cửa vào tính theo công thức (4.1) *) Tính toán các mặt cắt khác của buồng xoắn.
ϕ r b Từ công thức ( ) ta có: Qϕ = QT = K ∫ dr 360 rb r Để đơn giản hoá việc tính toán tích phân trong công thức trên đã bỏ đoạn hình chữ nhật của ra – rb do ảnh hưởng đối với diện tích mặt cắt buồng xoắn không lớn. Từ hình vẽ ta có: R = ra + 2ρφ , a = ra + ρϕ 2 2 ⎛ b ⎞ 2 2 2 ρ = ⎜ ⎟ +()r − a , b =2 ρϕ −(r − a) ϕ ⎝ 2 ⎠ Từ đó ta có: Lưu lượng nước chảy qua tiết diện hình tròn bất kỳ của buồng xoắn tính theo công thức: 2 2 R R 2 ρ −()r − a 2 2 Q = ∫∫Vu b() r dr= K dr=2π K() a − a − ρ ra ra r 2 ⎛ b ⎞ 2 2 Ở đây, theo hình (4.2) ta có: ⎜ ⎟ +()r − a = ρ ⎝ 2 ⎠ Trong đó: ρ- Bán kính của tiết diện tròn đang xét; a- Khoảng cách từ tâm tiết diện đến trục tuabin. Thay trị số tích phân tìm được ở trên vào phương trình trên ta có: ϕ=C[ ra + ρ − ra( r a + 2ρ)] 720Kπ Trong đó: C = Qtt Cũng như hằng số K, hằng số C có thể xác định theo điều kiện biên khi đã biết các kích thước của tiết diện vào ϕmax và ρv. Lúc đó, hằng số C tính theo công thức sau đây: ϕ C = max ; ra+ρ v − ra() r a + 2ρ v FQv ttϕ max ở đây ρv - bán kính tiết diện vào buồng xoắn: ρ v = = 0 π 360 πVv Như vậy, bán kính của mỗi tiết diện tròn bất kỳ ứng với tọa độ ϕ sẽ là: ϕ ϕ 0 ρ = + 2r C a C Sử dụng công thức trên cho phép tính được bán kính tiết diện tròn ủ của buồng xoắn ứng với góc ϕ0 bất kỳ, từ đó mà xác định được bán kính r theo quan hệ: r = ra + 2ρ
Kết quả tính toán nên ghi thành bảng (4.2) Bảng 4.2: Bảng dùng để tính toán thủy lực buồng xoắn kim loại ϕ ϕ ϕ ϕ 2ra 2r ρ 2ρ R = r + 2ρ C C a C a Theo số liệu ở bảng này có thể vẽ được đường viền ngoài của buồng xoắn cũng như các kích thước của mỗi tiết diện bất kì. Riêng với các tiết diện nằm trong phạm vi ử = 0 ÷ 1200, nếu tính theo bảng này sẽ có sai số chút ít so với kết quả tính toán của nhà máy chế tạo, bởi vì ở đoạn này, nhà máy thường tính theo tiết diện hình elíp. 4.3. Lựa chọn kích thước buồng tuabin cỡ nhỏ 4.3.1. Buồng hở chữ nhật dùng cho tuabin trục đứng (hình 4.5) Nên lấy kích thước như sau: L = B = (3 ÷ 4)D1, nhưng phải lớn hơn 2m, h1 ≥ (0,90 ÷ 1,0)D1 và phải lớn hơn 0,7m (ứng với mực nước thấp nhất trong buồng); h2 = (0,60 ÷ 0,75)D1, vận tốc trung bình lớn nhất vo = 0,5 ÷ 1,0m/s. 4.3.2. Buồng hở chữ nhật dùng cho tuabin trục ngang (hình 4.6). Nên lấy kích thước như sau: 1. Đối với buồng dẫn nước theo hướng trục tuabin và có khuỷu ống hút nằm ngoài buồng (hình 4.6a): L = B = (2,5 ÷ 3,0)D1 Còn nếu có khuỷu ống hút nằm trong buồng (hình 4.6b): L = (4 ÷ 5)D1; B = (2,5 ÷ 3,0)D1 Hình 4.5: Sơ đồ buồng hở dùng cho tuabin trục đứng
Hình 4.6: Sơ đồ buồng tuabin hở chữ nhật dùng cho tuabin trục ngang 2. Đối với buồng dẫn nước theo hướng vuông góc với trục tuabin có khuỷu ống hút nằm ngoài buồng (hình 4.6c): L = (3 ÷ 3,5)D1; B = (2,0 ÷ 2,5)D1 Còn nếu có khuỷu ống hút nằm trong buồng (hình 4.6d): L = (3 ÷ 3,5)D1; b1 = 1,5D1 b2 = (2,5 ÷ 3,0)D1 Những kích thước còn lại nên lấy như sau: h1 = (1,7 ÷ 2,0)D1; h2 = (1,27 ÷ 1,7)D1 Buồng xoắn hở (hình 4.7) 0 0 Góc bao ϕmax nên lấy trong khoảng ϕmax = 180 ÷ 225 và chiều sâu nhỏ nhất 3 2 h1 = 0,42 HD1 ; vận tốc trung bình trong buồng vo = (0,5 ÷ 0,7) H tt . Ta có thể xác định được diện tích của một tiết diện bất kì nào theo công thức: Qi Qvϕ i Qttϕ max Fi = ; trong đó: Qi = còn Qv = 0 . Chiều rộng các tiết diện ứng với góc ϕ vo ϕ max 360 cho ở bảng (4.3). Bảng 4.3: Quan hệ giữa chiều rộng B với góc ϕ ϕ(o) 0 45 90 135 180 225 270 B(m) bo 0,875bo 0,75bo 0,625bo 0,5bo 0,375bo 0,3bo