Giáo trình Tuabin thuỷ lực (Phần 2)

108 trang Gia Huy 20/05/2022 2510

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Tuabin thuỷ lực (Phần 2)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_tuabin_thuy_luc_phan_2.pdf

Nội dung text: Giáo trình Tuabin thuỷ lực (Phần 2)

CHƯƠNG 6: THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VÀ ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH TUABIN 6.1. Ý nghĩa và nhiệm vụ của thí nghiệm mô hình Mặc dù các phương pháp tính toán thủy lực thường dùng hiện nay để thiết kế tuabin không ngừng được bổ sung và hoàn thiện nhưng muốn thu được một cách đầy đủ các đặc tính của tuabin phai thông qua thí nghiệm. Phương ơháp tính toán thủy lực theo lý thuyết chỉ cho phép nghiên cứu và đề xuất ra một số phương án hình dạng phần nước qua của các tuabin. Còn việc phân tích, so sánh và chọn phương án tối ưu trong số các phương án nói trên chỉ thực hiện được trên cơ sở các kết quả số liệu của thí nghiệm mô hình. Nhờ kết quả của các thí nghiệm này có thể chỉnh lí thành các đường đặc tính mô hình, từ đó xây dựng thành các đường đặc tính khác của tuabin thực tế. Thí nghiệm tuabin có thể được tiến hành trong phòng thí nghiệm hay ngoài hiện trường. Thí nghiệm tuabin ở ngoài hiện trường tuy có thể phản ánh đúng tình hình làm việc thực tế của tuabin nhưng chi phí thí nghiệm tốn kém và không thể nghiên cứu đầy đủ các điều kiện làm việc có thể có của tuabin. Thí nghiệm mô hình chia ra hai loại: thí nghiệm năng lượng và thí nghiệm khí thực. Thí nghiệm đầu dùng để xác định hiệu suất của tuabin khi tuabin chưa bị khí thực, còn thí nghiệm sau dùng để xác định hệ số khí thực của tuabin. Thiết bị thí nghiệm năng lượng thường được tiến hành với các mẫu có đường kính D1M = 250(180) ÷ 400(800)mm còn thí nghiệm khí thực thì D1M bé hơn D1M = 250 ÷ 350mm. 6.2. Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm Hình 6.1: Sơ đồ nguyên lí thí nghiệm năng lượng của tuabin phản kích. Hình 6.1 là sơ đồ nguyên lí giá thí nghiệm năng lượng. Sơ đồ này gồm có bể thượng lưu 1, hạ lưu 2, bể chứa 3 và máy bơm 4. Mẫu thí nghiệm được lắp giữa hai bể nói trên, ở đây cần đảm bảo các điều kiện tương tự về hình học của buồng tuabin và ống
hút. Khi làm việc, nước từ bể 1 chảy qua tuabin vào bể hạ lưu 2, ở đây lưu lượng Q được đo bằng đập tràn thành mỏng tam giác vuông 6. Sau khi qua khỏi đập tràn, nước chảy về bể chứa 3 và từ đó nước được máy bơm bơm vào bể thượng lưu 1 theo một hệ thống cấp nước tuần hoàn.Máng tràn 7 lắp trong bể 1 có tác dụng duy trì mức nước trong bể 1 không thay đổi, lượng nước thừa ra trong bể này sẽ được tháo về bể chứa 3. Lưới ổn định 7 có nhiệm vụ ổn định dòng nước trước khi chảy vào tuabin, còn lưới ổn định 9 thì có tác dụng làm lặng nước để đo lưu lượng qua đập tràn thành mỏng mà bằng phương pháp thể tích (thùng đong) sẽ bảo đảm đo lưu lượng với độ chính xác cao hơn. Cột nước thí nghiệm ở giá này có thể thay đổi từ 2÷5m. Khi làm thí nghiệm cần đo các đại lượng chính sau đây: Lưu lượng Q chảy qua tuabin được xác định theo mchiều cao lớp nước trên đỉnh của đập tràn tam giác vuông hQ. Biết trị số hQ có thể xác định lưu lượng Q theo các công thức kinh nnghiệm sau đây: 2,47 Q=1,343hQ ,(l/s) (4-1) Hoặc dùng công thức đơn giản hơn: 2,5 Q=1,4 hQ ,(l/s) (4-2) Trong đó:hQ- chiều cao mlớp nước trên đỉnh đập(m). Cột nước làm việc H được đo bằng ống đo áp 10 và 11. Như vậy cột nước h ở đây đựoc tính bằng hiệu số cao trình mực nước trong bể 1 và 2 và bỏ qua tổn thất cột nước tổn thất trong đường dẫn tính từ bể 1 đến cửa vào buồng tuabin. Nếu dẫn nước vào tuabinbằng ống áp lực có chiều dài khá lớn thì phải tính thêm trị số tổn thất cột nước trong đường dẫn nữa. Số vòng quay n trên tuabin có thể đo bằng vòng quay kế(vg/ph) kiểu li tâm hoặc máy đếm số vòng quay bằng điện. Mô men xoắn trên trục tuabin được đo bằng bộ hãm kiểu ma sát hình (6.2). Mô men xoắn M trên trục tuabin được xác định theo công thức sau: M=P.l (4-3) Trong đó: P - trọng lượng quả cân(N); l - cánh tay đòn của bộ hãm, bằng khoảng cách từ điểm đặt quả cân trục tuabin.
Thí nghiệm được tiến hành với các trị số độ mở của bộ phận hướng nước ao. Độ mở đó được tính bằng khoảng cách nhỏ nhất giữa hai cánh hướng nước kế tiếp nhau (tuabin phản kích) hoặc số phần của hành tình lớn nhất của van kim(s) (đối với tuabin gáo)(hình6.3). Với mỗi độ mở ao cho tước, ta làm thí nghiệm với 6÷8 trị số phụ tải khác nhau (thay đổi lực ma sát của má phanh bộ hãm). Ta sẽ được 6÷8 điểm ứng với các trị số vòng quay n khác nhau. ỉng với các trị số phụ tải đã chọn (trọng lượng quả cân), dùng các thiết bị đo lường kể trên có thể đo được lưu lượng Q, số vòng quay trục tuabinn, và cột nước làm việc H (nếu trong suốt quá trình thí ghiệm H không đổi thì không cần phải đo thông số này) rồi tính ra các thông số quy dẫn theo các công thức (4-4) và (4-5). Số vòng quay quy dẫn: ' nD1 n I = =K1n (4-4) H ' Lưu lượng quy dẫn: ' Q Q I = =K nQ (4-5) 2 2 DHI Hiệu suất tuabin: N Mω P.lπ n n η= = = K 3 (4-6) N n γQH 30γ QH Q Ở đây: N = Mω - công suất hữu ích của tuabin. Nn = γ QH - công suất tiêu hao(công suất dòng nước). D1 l.P π K1 = = cosnt; K3 = = const H 30γ H Các số liệu đo được trong khi làm thí nghiệm và kết quả tính toán thường được ghi thành các bảng biểu (bảng6.1). Sau đây nghiên cứu các dạng đường đặc tính và cách vẽ dạng đường đó.
Số liệu đo được Kết quả tính đổi Số Số vòng Lưu Công CS phụ Cột Lưu Hiệu TT vòng quay quy lượng suất tiêu tải nước lượng suất quay dẫn quy dẫn hữu ích hao P H Q η% 'I ' n n I Q I N Nn ' ' 1 P1 H Q1 n1 n I1 Q I1 Q1 N1 η1 2 P2 Không Q2 n2 ' ' Q2 N2 η n I2 Q I 2 2 đổi 3 P3 Q3 n3 ' ' Q3 N3 η3 n I3 Q I 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . m- Pm-1 . Qm-1 nm-1 Qm-1 Nm-1 ' ' η m-1 1 . n Im− 1 Q I m −1 . Pm Qm nm Qm Nm η ' ' m m n Im Q I m 6.3. Đường đặc tính tuabin Các thông số làm việc của tuabin có thể biểu thị bởi một tương quan hàm số nhất định. Chẳng hạn. đối với tuabin tâm trục và cánh quạt, quan hệ đó có thể biểu thị với dạng tổng quát như sau: ⎧N= f(D,a1 1 o ,H,n) ⎪ ⎪Q= f(D,a2 1 o ,H,n) ⎨ ⎪η = f3 (D 1 ,ao ,H, n) ⎪ ⎩Hs = f(D,a4 1 o ,H,n) Đối với tuabin cánh quay và chéo trục, quan hệ đó có dạng sau đây: ⎧N= f(D,a1 1 o ,ϕ ,H,n) ⎪ ⎪Q= f(D,a2 1 o ,ϕ ,H,n) ⎨ ⎪η = f3 (D,a 1 o ,ϕ ,H,n) ⎪ ⎩Hs = f(D,a,4 1 o ϕ ,H,n) Như vậy hệ tuabin trên có 4 biến số độc lập, còn hệ tuabin sau có 5 biến số độc lập(thêm ϕ -góc đặt của cánh BXCT).Góc ϕ =0 ứng với chế độ tính toán của tuabin, từ đó nếu cánh quay theo chiều kim đồng hồ thì ϕ >0, còn nếu theo chiều ngược kim đồng hồ thì ϕ <0(hình6.4).
Các quan hệ cụ thể nói trên gọi là đặc tính tuabin và nó thường được biểu thị dưới dạng đồ thị đường cong gọi là đường đặc tínhtuabin. Tuỳ theo số biến số độc lập có trong mỗi quan hệ hàm số người ta chia ra hai loại đường đặc tính: đường đặc tính tuyến tính và đường đặc tính tổng hợp. 6.3.1. Đường đặc tính tuyến tính Đường cong chỉ sự liên hệ giữa hai thông số của tuabin, còn có các thông số khác coi như không đổi, gọi là đường đặc tính tuyến tính của tuabin. Đối với tuabin điều chỉnh đơn(tâm trục, cánh quạt) thì các thông soó khác không đổi gồm có 3 biến số, còn đối với tuabin điều chỉnh kép(cánh quay,chéo trục) thì gồm 4 biến số.Các dạng cơ bản của đường đặc tính tuyến tính của tuabin cho ở hình(6.5). Trong đó, hình(6.5a) là đường đặc tính tuyến tính cột nước η , N = f(H) chỉ sự liên hệ giữa hiệu suất(hoặc công suất) với cột nước làm việc của tuabin khi đường kính nước làm việc của tuabin khi đường kính D1; độ mở a0 và số vòng quay n không đổi; hình(6.5b) là đường đặc tính tuyến tính số vòng quay chỉ sự liên hệ giữa công suất(hiệu suất v.v ) với số vòng quay khi D1, a0, H không đổi; hình(6.5c) là đường đặc tính tuyến tính lưu lượng η , N, a0=f(Q) chịư liên hệ giữa hiệu suất (hoặcN, a0) với lưu lượng tuabin khi D1,n,H=const; còn hình (6.5d) là đường đặc tính tuyến tính công suất(còn gọi là đường đặc tính công tác ) chỉ sự liên hệ giữa hiệu suất, độ mở a0 và các thông số khác với công suất tuabin khi D1, n, H=const. Như vậy, tên của đường đặc tính tuyến tính được gọi theo tên của biến số độc lập, chẳng hạn để dơn giản gọi đường η =f(H) là đường đặc tính cột nước(H là biến số độc lập). Các đường đặc tính tuyến tính có cấu tạo đơn giản và dễ thấy, nhưng chúng không thể phản ánh đầy đủ tính chất của tuabin. Chẳng hạn dùng đường đặc tính η =f(N) ta chỉ thấy được quan hệ giữa hiệu suất với công suất tuabin. Nếu muốn biết hiệu suất thayđổi ra sao khi tuabin làm việc với các trị số cột nước H khác nhau thì ta phải có một loại đường đặc tính tuyến tính nói trên được xây dựng với nhiều trị số cột nước H khác nhau. Muốn biểu thị đầy đủ tính chất của tuabin phải sử dụng đường đặc tính tổng hợp. 6.3.2. Đường đặc tính tổng hợp
Đường cong chỉ sự liên hệ giữa các thông số riêng biệt của tuabin với hai biến số độc lập gọi là đường đặc tính tổng hợp. Như vậy, muốn vẽ đường này cần cho trước hai biến số độc lập (đối với tuabin điều chỉnh đơn). Trong thực tế tồn tại một số dạng đường đặc tính tổng hợp sau đây: đường đặc tính tổng hợp chính và đường dặc tính tổng hợp vận hành. Phần 1 ta đã xét các đường đặc tính đơn, biểu thị quan hệ giữa từng cặp thông số với nhau khi các thông số khác là hằng số. Trong thực tế sử dụng tuabin nước ở một chế độ có rất nhiều thông số a, ϕ , H, Q, N, n, σ Vì vậy đường dặc tính đơn không thể biểu thị quan hệ cùng một lúc của nhiều thông số nên trong tuabin nước thường sử dụng rộng rãi đường đặc tính tổng hợp. Do là đường đặc tính cùng một lúc có hai loại đường đặc tính tổng hợp - Đường đặc tính tổng hợp chính. - Đường đặc tính tổng hợp vận hành. a. Đường đặc tính tổng hợp chính. Đường đặc tính này biểu thị các quan hệ của hiệu suất, độ mở cánh hướng, hệ số xâm thực, góc đặt cánh, đường giới hạn công suất trong đồ thị có trục toạ độ là các đại ’ ’ lượng qui dẫn n1 , Q1 khi D1=1m và h=1m. Hay nói cách khác đường đặc tính tổng hợp chính (hoặc đường đặc tính mô hình) hiển thị quan hệ của các thông số: ' ' - Đường đồng hiệu suất: η = f(n1 ,Q1 ) ' ' - Đường đồng độ mở rộng: a0 = f(n1 ,Q1 ) ' ' - Đường đồnghệ số xâm thực σ =f(n1 ,Q1 ) - Đường giới hạn công suất 5% tuabin tâm trục. - Đường đồng góc đặt cánh đối với tuabin cánh quay. H-6.6 - đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin tâm trục D1M = 460mm H-6.7 - đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin cánh quay D1M = 460mm H -6.7 - đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin gáo.
Đường đặc tính này được xây dựng từ kết quả thực nghiệm tuabin mô hình trong phòng thí nghiệm. Đặc tính này là lý lịch của tuabin mô hình và qua nó đánh giá khả năng làm việc và chất lượng của tuabin mô hình. Nó là tài liệu gốc để chọn tuabin, chọn chế độ làm việc cho tuabin thực trên trạm. So sánh đặc tính tổng hợp chủ yếu của ba loại tuabin chúng ta thấy:Hình dáng của ' ' chúng đại thể giống nhau nhưng phạm vi trên giấy toạ độ n1 ,Q 1 thì khác nhau, trị số ' ' toạ độ n1 ,Q 1 của điểm hiệu suất cao nhất cũng khác nhau. - Đường đặc tính của tuabin gáo bao gồm đường η và đường a0 (d0) không có đường σ , đường đặc tính của tuabin xuyên tâm hướng trục bao gồm đường η, đường a0, đườngσ và đường ϕ không có đường hạn chế 5%N. - Tuabin gáo có cột nước cao, lưu lượng nhỏ trị số toạ độ của điểm hiệu suất cao nhất là nhỏ nhất vị trí toàn bộ đường đặc tính chiếm cũng rất nhỏ hình hẹp và dài. Tuabin cánh quay có cột nước thấp, lưu lượng lớn nên trị số của điểm hiệu suất cao nhất là lớn nhất. Vị trí toàn bộ đường đặc tính chiếm cũng lớn nhất, hình rổng và dẹt còn của tuabin tâm trục ở giữa hai trường hợp đó (H-6-9). b. Đường đặc tính tổng hợp vận hành. Đường đặc tính tổng hợp vận hành là dường đặc tính tổng hợp của tabin thực làm việc ở nhà máy thuỷ điện. Nó là đường biểu diễn các đường cong: - Đường đồng hiệu suất η=f(N<H) - Đường đồng chiều cao hút Hs=f(N, H) - Đường giới hạn công suất theo máy phát và tuabin khi đường kính bánh xe công tác D1 và tốc độ quay n của tuabin là hằng số. Trong hệ toạ độ N,H. Đường đặc
tính này giúp cho người vận hành xác định các chế đọ làm việc của tuabin, xác định các thông số tại cac chế độ đang làm việc. Đường đặc tính này cho phép xác định khả năng phát ra công suất của tuabin, giúp cho người làm việc ở bộ phận điều độ của lưới điện phân phối phụ tải cho các tổ máy. Ngoài ra đường đặc tính vận hành còn là số liệu quan trọng so sánh về năng lượng và khả năng chống xâm thực tuabin khi chọn loại tuabin, đường kính và số vòng quay của tuabin. Về hình dạng bề ngoài thì đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin tâm trục và hướng trục là giống nhau nhưng phạm vi của H và N là khác nhau. H của tuabin tâm trục tương đối lớn còn H của tuabin cánh quay tương đối nhỏ thêm nữa đường hạn chế công suất của hai loại tuabin về tính chất cũng có khác nhau. Đường hạn chế N của tuabin tâm trục chỉ đường hạn chế công suất 5%N, còn đường hạn chế công suất của tuabin cánh quay là chỉ đường hạn chế công suất của độ mở lớn nhất cánh hướng nước khi cột nướclà Htt. 6.4. Quan hệ giữa đường đặc tính thường dùng với loại tuabin. 6.4.1. Đường đặc tính tổng hợp chính a. Đặc điểm: Đường đặc tính của tuabin gáo bao gồm đường η và đường a0 khoong có đường σ ; đường đặc tính của tuabin tâm trục, cánh quạt bao gồm đường η , đường a0, đường σ và đường hạn chế 5%N; đường đặc tính của tuabin cánh quay bao gồm đường η , đường a0, đường σ và đường ϕ không có đường hạn chế 5%N. b. Phạm vi: tuabin gáo có cột nước cao, lưu lưọng nhỏ cho nên trị số toạ độ của điểm hiệu suất cao nhất. Vị trí toàn bộ đường đặc tính chiếm cũng rất nhỏ, hình hẹp và dài. Tuabin cánh quay có cột nước thấp, Q lớn cho nên trị số toạ độ của điểm hiệu suất ' ' cao nhất ( n1 ,Q 1 ) là lớn nhất. Vị trí toàn bộ đường đặc tính chiếm cũng lớn nhất hình rộng và dẹt. Tuabin tâm trục ở giữa hai trường hợp đó. 6.4.2. Đường đặc tính công tác Đường dặc tính công tác η=f(N) của tuabin thực dược tính đổi từ đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin mô hình. Khi hình thức tuabin khác nhau thì hình dạng đường đặc tính công tác của chúng cũng khác nhau. a- Kiểu gáo: Hiệu suất cao nhất của tuabin gáo tương đối thấp nhưng khu vực hiệu suất cao tương đối rộng (hình 6.6a). b- Kiểu tâm trục và cánh quạt: Đường đặc tính công tác của tuabin tâm trục có đường hạn chế công suất 5%N (hình 6.6b). Khi Q tăng lên đồng thời lúc đầu hiệu suất tăng lên rất nhanh sau đó bắt đầu hạ xuống. Khi N đạt tới Nmax thì Q đạt tới trị số nhất định. Nếu Q tiếp tục tăng thì N giảm đi hình thành khu vực móc câu ở cuối đường đặc tính công tác. Nguyên nhân là do ảnh hưởng của hiệu suất hạ thấp thắng được ảnh hưởng của Q tăng lên. Rõ ràng là trong trường hợp này Q lớn hay nhỏ đều phát ra công suất như nhau. Trong vận hành không nên để cho tuabin làm việc trong điều kiện lưu lượng bất lợi. Phạm vi làm việc bất lợi đoạn cuối đường đặc tính chiếm khoảng
5%Nmax cho nên vẽ một đường ở khu vực móc câu cuối đường đặc tính công tác gọi là đường hạn chế 5%N. Đường dặc tính công tác của tuabin cánh quạt thì khu vực hiệu suất cao nhất rất hẹp đoạn cuối cùng có khu vực móc câu nên thường vẽ đường hạn chế 3%N. c- Kiểu cánh quay: Khi góc quay ϕ cố định, đường đặc tính công tác của tuabin cánh quay giống như tuabin cánh quạt. Khi góc quay ϕ thay đổi đường đặc tính công tác của tuabin cánh quay sẽ là đường bao ngoài của các góc quay. Khu vực hiệu suất cao nhất của đường đặc tính công tác rất rộng. Chỉ khi góc quay ϕ và độ mở a0 rất lớn hay nói cách khác là lưu lượng rất lớn thì N mới bắt đầu hạ xuống. Tuabin cánh quay thường không cho phép vận hành trong trường hợp như vậy bởi vì bị hạn chế bởi điều kiện khí thực, cho nên trên đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin cánh quay đều không vẽ đường hạn chế công suất d- Nhận xét: Ta thấy: - ηmax của tuabin gáo thấp nhất - ηmax của tuabin tâm trục cao nhất, tỷ tốc càng cao thì đỉnh đường biẻu diễn càng bằng. - Tuabin cánh quay vì cánh tuabin quay được cho nên khu vực hiệu suất cao tương đối rộng còn kiểu cánh quạt thì không có ưu điểm đó. - Điểm công suất lớn nhất của tất cả các đường không phải là chỗ hiệu suất cao nhất nên thường cố gẳng sao cho turbi không phải làm việc trong trường hợp đầy tải. 6.4.3. Đường đặc tính tổng hợp vận hành Đường đặc tính tổng hợp vận hành là đường đặc tính tổng hợp của tuabin thực làm việc ở nhà máy thuỷ điện. Nó là đường biểu diễn đường cong - Đường đồng hiệu suất η=f(N,H) - Đường đồng chiều cao hút Hs = f(N,H) - Đường giới hạn công suất theo máy phát & tuabin Khi đường kính bánh xe công tác D1 và tốc độ quay n của tuabin là hằng số trong hệ toạ độ N, H. Đường đặc tính này giúp cho người vận hành xác định các chế độ làm việc của tuabin, xác định các thông số tại các chế độ làm việc. Đường đặc tính này cho phép xác định khả năng phát ra công suất của tuabin, giúp cho người làm việc ở bộ phận điều độ của lưới điện phân phối phụ tải cho các tổ máy. Ngoài ra đường đặc tính vận hành còn là số liệu quan trọng so sánh vê năng lượng và khả năng chống xâm thực tuabin khi chọn loại tuabin, đường kính và số vòng quay của tuabin
6.5. Xây dựng đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin đã chọn Nội dung xây dựng đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin đã chọn bao gồm: - Tính đổi đường quan hệ hiệu suất. - Tính đổi đường hạn chế công suất. - Tính đổi đường đồng độ cao hút Hs. 6.5.1. Tính đổi đường quan hệ hiệu suất. η = f (,)n' Q ' η = f ()N η = f (,N H) a) Mục đích: Tính đổi đường 1 1 thành và b) Nguyên tắc: Sử dụng công thức: nD n ' = 1 1 H 3 ' 2 2 NQDH= 9,81 1 1 η D1T 5 ηT max =1 −() 1 −η M max D1M Δη =ηTmax x−η M max * Vẽ đường đặc tính công tác η = f ()N từ đường đặc tính tổng hợp chính D1, n của loại tuabin đã chọn tìm trị số hiệu chỉnh Δη. + Đối với tuabin ánh quay:
Mỗi góc quay ử trên đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin cánh quay có một hiệu suất ηMmax do đó mỗi góc ϕ phải tìm được một Δηφ. Tính toán như bảng dưới đây. φ ηMmax ΗTmax Δηφ ' * Tìm trị số hiệu chỉnh số vòng quay dẫn suất Δn1 η - Nếu T max −1 0,03 thì Δn'' = n ⎜ T max −1⎟ và n' = n' + Δ n ' 1 M ⎜ ⎟ 1T 1M 1 η M max ⎝ η M max ⎠ ' ' ' Hoặc n1M = n1T − Δ n1 . ' * Tìm các trị số n1T tương ứng với các trị số cột nước Hmax, H , Htt, Hmin, từ đó tìm ' ra các trị số n1M tương ứng. ' Từ các trị số n1M vẽ các đường nằm ngang cắt đường ηM của tuabin tâm trục và ' ' tuabin gáo, đường góc quay ϕ của turrbin cánh quay ta được các trị số n1M , Q1M , ỗM tương ứng. * Tìm ỗT của tuabin thực: - Tuabin tâm trục ηT = ηM + Δη - Tuabin cánh quay ηT = ηM + Δηφ. ϕ khác nhau thì đường Δηφ khác nhau. 3 ' 2 2 * Tìm NT = 9,81QDH1 1 ηT . Qua tính toán có thể lập bảng.6.2 và bảng 6.3. Bảng 6.2: Tính toán đối với tuabin tâm trục. Hmax = H = Htt = Hmin = Δη = nD n ' = 1 1TH (max ) H max n' = n' − Δ n ' 1MH (max ) 1T 1 ' ηM Q1 ηT NT (1) (2) (3) (4)
Bảng 6.3: Tính toán đối với tuabin cánh quay. Hmax = H = Htt = Hmin = Góc Hiệu quay Δη = chỉnh của ' nD hiệu n = 1 cánh 1TH (max ) H suất max tuabin ' ' ' n1M = n1T − Δ n1 ' φ Δηφ ηM Q1 ηT NT (1) (2) (3) (4) (5) (6) Căn cứ vào cột (3) và (4) ở bảng 6.2 và cột (5) và (6) ở bảng 6.3 vẽ đường đặc tính công tác η = f ()N cho một trị số H (hình 6.12). Hình 6.12: Đường đặc tính công tác của tuabin tâm trục với nhãn hiệu PO75/702-B550, n=107,1v/ph c) Vẽ đường đặc tính vận hành trên hệ toạ độ N, H. Cắt các đường đặc tính công tác η = f(H) bằng một số đường ngang η = const cách nhau khoảng 1%. Dời các điểm đó lên hệ tạo độ (N,H) và nối chúng lại thành đường cong trơn ta được đường đồng hiệu suất η = f(N,H).
Để xác định được vị trí điểm đỉnh của mỗi đường hiệu suất bên dưới đường đặc tính vận hành ta vẽ đường bổ trợ ηmax = f(H) (hình 6.13). Từ đường quan hệ đó có thể tìm được trị số H nhỏ nhất phù hợp với điểm đỉnh của mỗi đường η (đường H = const tiếp xúc với đường η = const). Hình 6.13: Đường cong bổ trợ ηmax = f(H) 6.5.2. Tính đổi đường hạn chế công suất. Đường hạn chế công suất ABC chia ĐĐTTHVH ra hai phần: phía bên trái của đường ABC là vùng làm việc, còn phía bên phaỉ - vùng không lamg việc. Đoạn thẳng đứng AB tính từ cột nước tính toán Htt đến cột nước lớn nhất Hmax (điểm A), ở đoạn này công suất của tuabin bị hạn chế bởi công suất định mức của máy phát điện đã chọn. Chẳng hạn ở hình vẽ (hình 6.14) công suất lớn nhất của tuabin tương ứng với công suất định mức của máy phát điện bằng 180000kW. Đường nghiêng BC, tính từ Htt đến Hmin, công suất bị hạn chế bởi công suất của bản thân tuabin. Cột nước tương ứng với điểm B là cột nước tính toán. Đó là cột nước nhỏ nhất để đảm bảo tuabin phát đủ công suất định mức. Khi cột nước H Htt), tuabin có khả năng phát được công suất tương đối lớn nhưng bị hạn chế bởi công suất giới hạn của máy phát điện, hoặc xét theo quan điểm độ bền nó cũng có thể bị hạn chế bởi kích thước (không đủ) của một bộ phận nào đó của tuabin. Hình 6.14: Đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin.
Đường hạn chế công suất phụ thuộc vào hệ tuabin, cách vẽ như sau: Đối với tuabin tâm trục: Đoạn nghiêng BC của đường hạn chế công suất được xác định theo đường đồng độ mở tới hạn của bộ phận hướng nước aomax = const. Nói chung ở hệ tuabin tâm trục và tuabin cánh quạt, đường aomax là đường hạn chế độ mở lớn nhất cho phép của tuabin. Khi tuabin làm việc, độ mở ao của BPHN không thể vượt quá trị số aomax này. Do đó, đường aomax = const ở các hệ tuabin nói trên sẽ trùng với đường dự trữ công suất 5% vẽ trên Đ ĐTTHC của mẫu. Như vậy toạ độ điểm B của đường nghiêng BC đã biết B(Htt, Ntt). Công việc còn lại là tìm toạ độ điểm C. Muốn thế, ta tìm trị số công suất của tuabin ứng với H = Hmin. ' nD1 ' ' ' Tính trị số ()n IT max = , và (nIM )max = ( nIT )max − Δ n I . Như vậy ta sẽ tìm được trị H max ' 3 ' số Q I (m /s) (tại giao điểm của đường thẳng ngang (n IM )max = const với đường aomax = const hoặc với đường dự trữ công suất 5%). Sau đó tính trị số công suất của tuabin 2 ' ứng với Hmin: Nmin = 9,81D1 QI Hmin H min η(kw). Nối hai điểm có toạ độ B(Htt, Ntt) và C(Hmin, Nmin) ta được đoạn BC của đường hạn chế công suất của tuabin (hình 6.10). Đối với tuabin cánh quay: Cũng giống như tuabin tâm trục khi H > Htt đường hạn chế công suất là đường thẳng góc do công suất của một máy phát điện quyết định còn khi H < Htt thì đường hạn chế công suất của tuabin bị han chế bởi độ mở lớn nhất aomax và được được tiến hành theo các bước sau: + Trên đường đặc tính vận hành η = f(N, H) từ điểm A (giao điểm của đường công suất lớn nhất của máy phát điện và Htt) ta xác định được ηTA. ' nD1 ' N Tính n IA = và Q IA = 3 H 2 2 tt 9,81D1 H tt ηTA ' ' + Trên đường đặc tính tổng hợp chủ yếu η = f( nI ,Q I ) ' ' - Vẽ điểm A’( n IA ,Q IA ) xác định được được aomaxcủa điểm A’. ' ' - Xác định điểm B’ là giao điểm của đường n và aomax, xác định ϕM, Q , IH min IMB ηMB. + Xác định điểm B trên đường η = f(N, H). ' - Có ϕB xác định được Δηϕ, ηTB = ηMB’ + Δηϕ. 3 ' 2 2 NB = 9,81QIB D1 H min ηTB - Dịch điểm B (Hmin, NB) trên đường η = f(N, H) + Nối A-B ta được đường hạn chế của tuabin A-B.
6.5.3. Vẽ đường đồng chiều cao hút Hs. a) Mục đích: ' ' Tính đổi đường đồng hệ số khí thực σ = f( nI ,Q I ) của đường đăcj tính tổng hợp chính của mô hình thành đường đồng chiều cao hút Hs = f(N, H). b) Nguyên tắc: Sử dụng các công thức tương tự: nD n ' = 1 I H 3 ' 2 2 N= 9,81QI D1 H η ∇ H= 10 − −() σ + Δσ H s 900 Các bước: ' - Tính n IM tương ứng với các H đã cho ' - Từ giao điểm của các đường thẳng ngang n IM = const trên đường đặc tính tổng hợp chính với đường η = const (đối với tuabin tâm trục) hoặc với đường ϕ = const (đối ' với tuabin cánh quay) ta xác định được σ và Q I của mỗi điểm. - Lập bảng tính toán Hs = f(N) với H là thông số: ' N H σ Q I Δσ s (1) (2) (3) (4) (5) Căn cứ vào cột (3) và cột (5) vẽ đường Hs = f(N) tương ứng với các H. 4. Đường đặc tính tổng hợp vận hành. Đường tổng hợp vận hành hoàn chỉnh phải bao gồm 3 loại đường sau đây: Đường đồng hiệu suất η = f(N, H), đường đồng độ cao hút Hs = f(N, H) và đường hạn chế công suất của tổ máy. 6.6. Các đường đặc tính của trạm thủy điện Trong thực tế thường dùng các đường đặc tính của TTĐ sau đây: đường đặc tính công tác tổ máy η = f(N); đường đặc tính công tác của nhóm tuabin và của nhóm tổ máy (hay của TTĐ); đường đặc tính công tác công suất (hay lưu lượng) vận hành của tuabin của nhóm tổ máy và của TTĐ; đường đặc tính tổng hợp vận hành của tổ máy và của TTĐ.
- Đường đặc tính công tác tổ máy ηtm = f(N) biểu thị sự liên hệ giữa hiệu suất tổ máy và phụ tải tổ máy khi D1 = const, n = const và H = const. Đó là tổ hợp của hai đường đặc tính công tác của tuabin và máy phát điện. Dạng và cách vẽ đường ηtm = f(N) được trình bày trên hình vẽ: - Đường đặc tính công tác nhóm của tuabin (của nhóm tổ máy và của TTĐ) là tập hợp các đường đặc tính công tác của các tuabin (hay của các tổ máy) cùng làm việc trong TTĐ. Vẽ đường đặc tính công tác của nhóm n tuabin (hay n tổ máy) bằng cách phân hoành độ (trục N) cho 2, 3 n trong khi vẫn giữ nguyên tung độ η của chúng và nối các điểm tương ứng của nhóm từng 2, 3 n tổ máy với nhau (hình 6.15 ) Hình 6.15: Đường đặc tính công tác của tổ máy Hình 6.16 : Đường đặc tính công tác của TTĐ. - Đường đặc tính cột nước của TTĐ:H = f(Q) thường được vẽ với các mức nước thượng lưu không thay đổi.
- Đường đặc tính công suất - lưu lượng của tuabin và của tổ máy là các đường đặc tính công tác công suất Q =f(N) được vẽ cho từng trị số cột nước trong cùng một đồ thị hình 6.16. - Đường đặc tính công suất- lưu lượng của TTĐ: Biểu thị quan hệ giữa lưu lượng và công suất khi TTĐ làm việc với số lượng tổ máy khác nhau ứng với trị số cột nước và mực nước thượng lưu khác nhau (theo tổ hợp lợi nhất - có η có thể lớn nhất hình 6.17). - Đường đặc tính tổng hợp vận hành của TTĐ: Là tập hợp các đường cong đồng hiệu suất lớn nhất của các tổ máy khi chúng cùng làm việc với nhau trong TTĐ. Vẽ đường đặc tính tổng hợp vận hành của TTĐ bằng cách nhân hoành độ, (công suât) của các đường cong đồng hiệu suất (hay đồng chiều cao hút Hs) của đường đặc tính tổng hợp vận hành của một tổ máy lên 2, 3 n tổ máy của TTĐ và nối các điểm cùng hiệu suất Hình 6.17 : Đường đặc tính Q = f(N) của tổ máy (hay cùng Hs) của cùng một số lượng tổ máy. Cần chú ý là TTĐ làm việc với hiệu suất cao nhất giữa các tổ máy cùng làm việc, do đó trong đường đặc tính tổng hợp vận hành sẽ bỏ qua các đường đồng hiệu suất thấp hơn bị các đường đồng hiệu suất cao hơn cắt. Tuy nhiên phạm vi làm việc của các tổ máy không thể vượt quá đường giới hạn công suất 5% của mình nêu trong trường hợp khi công suất TTĐ vượt quá công suất của 1, 2, tổ máy thì phải mở thêm tổ máy kế tiếp mặc dù có hiệu suất tốt hơn (hình 6.18).
Hình 6.18: Đường đặc tính công suất - lưu lượng của TTĐ Hình 6.19: Đường đặc tính tổng hợp vận hành của TTĐ • Ví dụ: Vẽ đường biểu diễn đặc tính vận hành của tuabin phản kích. Ví dụ 1: Vẽ đường biểu diễn đặc tính vận hành của tuabin xuyên tâm hướng trục (tuabin tâm trục). Tài liệu: 1. Hình thức tuabin: máy tuabin xuyên tâm hướng trục trục đứng, có buồng xoắn ốc kim loại, ống hút cong, đoạn khuếch tán ống hút có mố chống ở giữa.
2. Công suất lớn nhất: N = 170000kW 3. Tốc độ quay định mức: n = 214,3vg/ph. 4. Đường kính tiêu chuẩn của BXCT của tuabin: D1 = 4,1m. 5. Số hiệu bánh xe công tác: PO638, đường biểu diễn đặc tính tổng hợp chủ yếu, hình thức buòng xoắn và ống hút dùng khi thí nghiệm tuabin mô hình tương tự như khi thực tế trạm thủy điện sử dụng. 6. Phạm vi đầu nước: - Cột nước lớn nhất: Hmax = 160m; - Cột nước nhỏ nhất Hmin = 130m; - Cột nước bình quân: Hbq = 145m. Yêu cầu: 1. Vẽ đường đặc tính công tác và đường đặc tính vận hành. 2. Vẽ đường hạn chế công suất tổ máy và xác định cột nước tính toán Htt. 3. Vẽ đường đẳng trị Hs. Tính toán: 1. Hiệu chỉnh hiệu suất: hiệu chỉnh do đường kính bánh xe công tác của tuabin mô hình và tuabin thực khác nhau, có thể dùng công thức của A.A.Nô-rô-dốp để tính toán hoặc bằng mô-nô tính toán hiệu suất. Đường kính tuabin mô hình D1 = 0,46m, hiệu suất cao nhất của nó ηMmax là 91%, đường kính tuabin thực D1T = 4,1m, thì hiệu suất cao nhất của nó là: D1M ηT max =1 −() 1 − ηM max =1 −() 1 − 0,91 .0,694= 0,94 D1T Do đó trị số hiệu chỉnh hiệu suất là; Δη = ηTmax - ηMmax = 0,94 – 0,91 = 0,03 ' 2. Trị số hiệu chỉnh tốc độ quay đơn vị Δn I . η 0,94 Bởi vì T max −1 = −1 = 0,015 < 3% ηM max 0,61 ' ' Cho nên, trị số hiệu chỉnh Δn I , ΔQ I của nó có thể không cần tính. 3. Phân đoạn cột nước: Phạm vi thay đổi cột nước là từ 130m đến 160m, phạm vi ' dao động của n I tương ứng là từ 69,5 tới 77 vg/ph. Để bảo đảm vẽ đường đặc tính ' tổng hợp vận hành được chính xác, ta cần chia phạm vi của n I thành 2 đoạn bằng ' nhau, n I của nó phải là 69,5; 72,8 và 77,0; cột nước tương ứng của nó là 160m, 145m, 130m. Như vậy là đã bao gồm cột nước lớn nhất, nhỏ nhất và cột nước bình quân. 4. Tính toán đường đặc tính công tác và đường đặc tính tổng hợp vận hành:
' - Đối với mỗi cột nước, phải tính ra n I tương ứng. ' - Vẽ đường n I nằm ngang trên đường đặc tính tổng hợp chủ yếu. ' - Ghi lại toạ độ (ηM, Q I ) của giao điểm giữa nó với đờng hiệu suất bằng nhau. - Tìm hiệu suất của tuabin thực. ηT = ηM + Δη ' 2 - Dựa vào công thức N= 9,81 η QI D1 H H tìm ra công thức của tuabin. - Tính lại với ba cột nước theo trình tự tính toán trên, cuối cùng ghi kết quả tính toán vào bảng biểu. 5. Vẽ đường đặc tính công tác và đường đặc tính vận hành: - Vẽ đường đặc tính công tác η = f(N). Lấy hiệu suất η làm tùng độ, công suất N làm hoành độ, dùng số liệu trong bảng (6.4), đối với mỗi cột nước vẽ một đường biểu diễn đặc tính công tác( xem hình 6.20). - đường biểu diễn bổ trợ ηmax = f(H) giữa trị số cột nước bất kỳ nào đó tương ứng với hiệu suất cao nhất (xem hình 6.21). - Đường biểu diễn đặc tính vận hành η = f(H, N). Căn cứ vào đường đặc tính công tác, có thể vẽ ra đường đặc tính tổng hợp vận hành (xem hình 6.22).
Bảng 6.5 Hmax = 160m, H H= 2025 Hbq = 145m, H H= 1750 Hmin = 130m, H H= 1485 ' 4,1.214,3 ' 4,1.214,3 ' 4,1.214,3 n I = = 69,5 n I = = 72,8 n I = = 77,0 160 145 130 3 3 3 2 2 ' 2 2 ' 2 2 ' N= 9,81.4,1 .160 Q I η = N= 9,81.4,1 .145 Q I η = N= 9,81.4,1 .130 Q I η = ' ' ' =333000QI η =288000QI η =245000QI η hM hT N hM hT N hM hT N 0,78 0,320 0,81 86,2 0,78 0,33 0,81 77 0,76 0,32 0,79 62 0,80 0,350 0,83 96,6 0,8 0,36 0,83 86 0,78 0,36 0,81 71,5 0,82 0,378 0,85 107 0,82 0,39 0,85 95,5 0,8 0,4 0,83 81,4 0,84 0,410 0,87 119 0,84 0,43 0,87 108 0,82 0,44 0,85 91,5 0,86 0,445 0,89 132 0,86 0,47 0,89 120,5 0,84 0,48 0,87 102,5 0,88 0,470 0,91 142 0,88 0,51 0,91 134 0,86 0,52 0,89 113,5 0,90 0,520 0,93 161 0,9 0,56 0,93 150 0,88 0,57 0,91 127 0,90 0,660 0,93 204 0,9 0,64 0,93 171 0,88 0,67 0,91 149 0,88 0,695 0,91 211 0,88 0,69 0,91 181 0,86 0,7 0,89 153 0,86 0,725 0,89 215 0,86 0,72 0,89 184,5 0,84 0,73 0,87 155,7 0,84 0,750 0,87 217 0,84 0,74 0,87 185,5 0,82 0,75 0,85 156 0,82 0,765 0,85 216,5 0,82 0,76 0,85 186 0,8 0,77 0,83 156,5 0,80 0,788 0,83 218 0,8 0,78 0,83 186,5 0,78 0,79 0,81 157 0,78 0,805 0,81 217 0,78 0,8 0,81 187 0,76 0,81 0,79 157 0,76 0,810 0,79 213 0,76 0,82 0,79 186,5 Trên đường hạn chế công suất 0,895 0,67 0,925 206 0,89 0,67 0,92 178 0,89 0,67 0,91 149,5
η% η% 93 90 92 91 80 90 130 140 150 H 70 100 160 200 N Hình 6.20: Đường đặc tính công tác của Hình 6.21: Đường bổ trợ của tuabin tuabin tâm trục tâm trục Trong hình 6.22, cột nước làm tung độ, công suất làm hoành độ, từ hình trên ta thấy được độ lớn công suất của tổ máy đơn vị dưới các cột nước khác nhau. Phương pháp vẽ là trước hết trên tung độ vẽ 3 đường cột nước nằm ngang, sau đó vẽ 1 đường nămg ngang của hiệu suất có trị số tròn trên hình 6.20 và cắt đường biểu diễn đặc tính công tác ở nhiều điểm, vẽ trị số của các điểm lên hình tạo độ H, N sau đó nối những điểm đó lại thành đường biểu diễn trơn nhẵn ta được đường hiệu suất trên tạo độ H, N. Những nhóm đường đẳng trị hiệu suất này thành đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin. H % 2 5 6 9 3 4 0 3 1 7 8 2 2 8 8 8 8 9 9 8 8 9 8 8 9 160 8 1 - 1 0 + = 2 s = = + H s s 2 H = + H s = H H s 150 N=170000 140 130 60 80 100 120 140 160 180 200 N Hình 6.22: Đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin tâm trục 6. Vẽ đường hạn chế công suất và xác định cột nước tính toán. Dựa vào số liệu ở hàng cuối cùng của bảng biểu tính toán (6.5) và đường đặc tính tổng hợp chính mà vẽ ra đường hạn chế công suất của tuabin. Khi vẽ thì lấy 3 cột nước tương ứng với cột nước Hmin, Hbq và Hmax được ba điểm trên đường đặc tính vận hành, nối 3 điểm đó lại (như đường gẫy trên hình 6.22) thế là được đường hạn chế công suất của tuabin. Nhưng khi cột nước cao, công suất của tuabin vượt xa công suất hạn chế lớn nhất của máy phát điện (Nmax = 170000kW) lúc này bị hạn chế bởi công suất của máy phát điện. Do đó, đường hạn chế công suất của cả tổ máy là do đường thẳng đứng tương đương với Nmax = 170000 kW trên đường đặc tính vận hành với
đoạn đường gẫy có ghạch nghiêng tổ hợp thành. Sau này khi tổ máy vận hành, thì nó làm việc trong phạm vi bên trái đường hạn chế. Giao điểm của 2 đoạn đó tương ứng với cột nước là 141m, đó là cột nước thiết kế Htt của tổ máy. Bây giờ kiểm tra xem điểm đó có phù hợp với số liệu của đường đặc tính vận hành không: đã biết Htt = 141m, thì: ' nD1 214 3 4,., 1 n I = = = 74, 5 H tt 141 ' ' 3 Khi nI = 74 , 5, thì tìm được Q,I = 0 67 m /s trên đường hạn chế 5% của đường đặc tính tổng hợp chủ yếu. ' ' 3 η M = 88,% 5 ; QQ.,.,,IM =I ϕ = 0 67 0 97= 0 65 m /s. η =88,,% 5 + 3 = 915 Công suất của điểm cần tìm là: ' 2 2 N= 9 , 81η QI D1 H H= 9 , 81 . 915 , %. 0 , 65 . 41 , . 141 141 N = 165000kW 7. Vẽ đường đẳng trị chiều cao hút Hs ' ' - Vẽ đường bổ trợ N = f(Q I ). Lấy N và Q I trong bảng (6.5) vẽ ra đường biểu ' diễn bổ trợ N = = f( Q I ) với các cột nước khác nhau như hình (6.18). Hình 6.23: Đường quan hệ công suất với lưu lượng đơn vị ' khi cột nước khác nhau N = f(Q I ) của tuabin tâm trục
Hình 6.19: Đường Hs = f(N) - Dựa vào Hs = 10,0 – 1,05H, liệt kê bảng tính toán như sau: Bảng 6.6: Bảng tính toán ứng với các cột nước ' ' ' H = 160m, nI = 69,5 H = 145, nI = 72 , 8 H = 130, nI = 77 , 0 N ' N ' N ' σ Q 1,05.σH Hs σ Q 1,05.σH Hs σ Q MW 1,05.σH Hs I MW I MW I 0,060 0,365 102 10,10 -0,10 0,07 0,340 81 10,65 -0,65 0,07 0,43 90 9,56 0,44 0,050 0,435 130 8,40 1,60 0,06 0,410 104 9,13 0,87 0,06 0,48 102 8,20 1,80 0,045 0,495 156 7,56 2,44 0,05 0,490 130 7,61 2,39 0,06 0,73 155 8,20 1,80 0,045 0,680 208 7,56 2,44 0,05 0,675 178 7,61 2,39 0,07 0,80 156 9,56 0,44 0,050 0,707 212 8,40 1,60 0,06 0,754 186 9,13 0,87 0,060 0,760 216 10,10 -0,10 0,07 0,805 186 10,65 -0,65 0,070 0,800 213 11,80 -1,80 - Lấy công suất N làm hoành độ, Hs làm tung độ, vẽ đương Hs = f(N), xem hình (6.19). Hs = +3m H(m) 130 130 N.103(kW) 116 140 Hs = +2m H(m) 130 145 160 130 145 160 N.103(kW) 106 122 141 154 180 213
Hs = +1m H(m) 130 145 160 130 145 160 N.103(kW) 96 105 120 156 185 215 Hs = 0m H(m) 130 145 160 130 145 160 N.103(kW) 83 90 104 157 186 218 Hs = -1m H(m) 130 145 160 130 145 160 N.103(kW) 70 74 90 157 186 218 - Vẽ trị số các điểm trên lên đường đặc tính tổng hợp vận hành và nối thành đường biểu diễn trơn nhẵn, tưc là Hs = f(N, H), xem đường chấm trên hình (6.22). Ví dụ 2: Vẽ đường biểu diễn đặc tính vận hành của tuabin kiểu cánh quay. Tài liệu: 1. Hình thức tuabin kiểu cánh quay trục đứng, buồng xoắn ốc bê tông, có ống hút cong. 2. Công suất lớn nhất: N = 7400kW. 3. Tốc độ quay định mức n = 100 vg/ph. 4. Đường kính tiêu chuẩn của bánh xe công tác D1 = 4,5m. 5. Số liệu bánh xe công tác Л592, đường biểu diễn đặc tính tổng hợp chủ yếu , xem hình (6.25)., mô hình hoàn toàn giống tuabin thực. 6. Phạm vi cột nước: - Cột nước tính toán Htt = 7m - Cột nước lớn nhất Hmax = 8m - Cột nước nhỏ nhất Hmin = 6,5m Yêu cầu: 1. Vẽ đường biểu đặc tính công tác và đặc tính vận hành. 2. Vẽ đường hạn chế công suất của tổ máy. 3. Vẽ đường đẳng trị Hs. Tính toán: 1. Hiệu chỉnh hiệu suất. Vì góc lắp cánh quay của tuabin cánh quay khác nhau, nên hiệu suất cao nhất của tuabin cánh quay cũng khác nhau, xem hình (6.25). Do đó mỗi góc quay nên có một trị
số hiệu chỉnh hiệu suất tương ứng. Còn việc tìm trị số hiệu chỉnh hiệu suất thì có thể vận dụng công thức A.A. Mô-rô-dốp để tính toán hoặc tra bảng (hình) mô-nô: D1M 5 ηϕT max =1 − (1 −ηϕM max ) ; Δηϕ=η ϕT max −ηϕM max D1T Giả sử, đường kính của tuabin mô hình D1M = 0,46, khi góc lắp của cánh quay ϕ = 100, thì hiệu suất lớn nhất của nó: ηϕM = 0,855, mà khi đường kính của tuabin thực D1T = 4,5m theo công thức trên để tính toán hiệu suất lớn nhất của nó, ηϕTmax bằng: 0,46 η =1 − (1 − 0,855)5 =1 − 0,145.0,685= 0,901; ϕT max 5,4 Δηϕ =η ϕT max −ηϕM max = 0,901− 0,855= 0,046 Khi góc lắp cánh tuabin khác nhau, thì trị số hiệu chỉnh hiệu suất tính theo biểu thức trên, được ghi trong bảng (6.7) dưới đây:
Hình 6.25: Đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin cánh quay Л592 có D1M = 0,46m
Bảng 6.7 Góc lắp cánh η η Δη=(η - η )% tuabin ϕ0 Mmax Tmax Tmax Mmax -100 0,855 0,901 0,046 -50 0,865 0,070 0,042 00 0,862 0,905 0,043 +50 0,845 0,894 0,049 +100 0,805 0,867 0,062 +150 0,782 0,851 0,069 +200 0,750 0,829 0,079 2. Hiệu chỉnh tốc độ quay đơn vị: Từ hình ( ), có thể tra được tốc độ quay đơn vị của tuabin mô hình trong trường ' hợp tốt nhất nIM =158, ηMmax = 0,865. Dựa vào tính toán, hoặc tra bảng 6.7 được: ηTmax = 0,907, do đó ta có: ⎛ η ⎞ ⎛ 0,907 ⎞ Δn' = n ' ⎜ T max −1⎟ = 158⎜ −1⎟ = 158(1,025− 1) = 4 I IMt- ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ η M max ⎠ ⎝ 0,865 ⎠ Trị số này lớn hơn 3%, cần phải hiệu chỉnh. 3. Phân đoạn cột nước: ' Phạm vi thay đổi của cột nước là 6,5 đến 8,0, phạm vi thay đổi của nI tương ứng là 155 đến 173. Để vẽ được đường đặc tính tổng hợp vận hành một cách chính xác, có thể ' ' chia phạm vi của nI thành 3 đoạn bằng nhau, dựa vào những trị số nI đó, tra ngược lại tìm ra trị số cột nước tương ứng, bao gồm Hmax, Hmin và hai trị số cột nước ở giữa, cuối cùng xác định được các cột nước 8,0m; 7,5m; 7,0m; 6,5m. 4. Tính đổi đường đặc tính vận hành. Việc tính đổi đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin cánh quay cũng giống ' như kiểu tuabin tâm trục, có điều là các đường nI nằm ngang không phải là giao điểm của đường hiệu suất bằng nhau, mà là giao điểm của đường góc lắp cánh quay, các việc tính toán khác đều giống như tuabin kiểu tâm trục. Kết quả tính toán ghi trong bảng 6.8: 5. Vẽ đường đặc tính công tác và đường đặc tính vận hành. - Đường đặc tính công tác η = f(N): Dựa vào số liệu ηT và N trong bảng 6.8, cứ với mỗi cột nước vẽ một đường đặc tính công tác, như hình (6.26).
- Đường bổ trợ ηmax = f(H): Dựa vào hình 6.26 vẽ hiệu suất cao nhất của mỗi cột nước thành đường ηmax = f(H), xem hình (6.27), lợi dụng đường biểu diễn này có thể tìm được cột nước nhỏ nhất tương ứng với mỗi đường đẳng trị hiệu suất. η η Hình 6.27: Đường bổ trợ của tuabin cánh quay: ηmax = f(H) Hình 6.26: Đường đặc tính công tác của tuabin cánh quay - Đường đặc tính tổng hợp vận hành η = f(H, N): Giả sử toạ độ của đường đặc tính công tác và đường đặc tính tổng hợp vận hành dùng cùng một thước tỷ lệ, như vậy có thể từ đường đặc tính công tác trực tiếp vẽ đường đặc tính tổng hợp vận hành, xem hình (6.28), phương pháp vẽ cụ thể giống như tuabin tâm trục. 6. Vẽ đường hạn chế công suất. Khi cột nước H = 7,0m; thì gặp đường 7400kW ở điểm A: ' ηTA =75%;nI = 167 vg / ph . ' 7400 3 ' QI = 3 = 2,68m / s . Khi nI =167 vg / ph thì : 9,81.72 .4,52 .0,75 ' 3 QI = 2,68 m / s và ao = 36. ' Khi cột nước H = 6,5m; nI =173 vg / ph, ao = 36 thì: ' 3 0 QI = 2,58 m / s , η M = 67,5% , ϕ =18 , Δηϕ = 0,075 , ηT = (67,5+ 7,5)%= 75% . ' NT = 3300.QIT .η = 3300.2,58.0,75= 6400kW Vẽ đường nghiêng qua 3 điểm trên đó là đường hạn chế công suất của tuabin cánh quay bởi vì công suất lớn nhất của tổ máy là 7400kW. Lại vẽ đường thẳng đứng, đó là đường hạn chế công suất của máy phát điện (xem hình 6.28) 7. Vẽ đường đẳng trị chiều cao hút Hs. ' - Dựa vào Q và N trong bảng 6.8; vẽ đường bổ trợ N = f(QI ) khi cột nước khác nhau, xem hình (6.29).
' - Dựa vào nI của cột nước tương ứng, trên đồ thị tổng hợp vẽ một đường thẳng ' gặp đường σ ở nhiều điểm, ghi lại σ và QI , dựa vào đường biểu diễn bổ trợ (hình ' 6.29). Có công QI tra được công suất N, sau đó đưa vào công thức: Hs = 10,0 - 1,05.σ.H tính ra Hs khi cột nước khác nhau. Đến đây ta lập bảng (6.9) để tính toán. - Lấy công suất N làm hoành độ, Hs làm tung độ, vẽ Hs = f(N), xem hình (6.30). - Vẽ trị số của các điểm nói trên lên đường đặc tính tổng hợp vận hành, nối chúng lại thành đường cong trơn tức là Hs = f(H, N), xem đường chấm chấm trên hình (6.28). ' Hình 6.28: Đường đặc tính tổng hợp vận Hình 6.29: Đường N = f(QI ) hành của tuabin cánh quay Hình 6.31: Đường ĐTTHC của tuabin cq Hình 6.30: Đường quan hệ Hs = f(N) 6.7. Câu hỏi chương 6 1. Trình bày sơ đồ nguyên lý thí nghiệm mô hình của tuabin. 2. Khái niệm về các đường đặc tính của tuabin thủy lực. 3. Trình bày phương pháp xây dựng đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin cho nhà máy thủy điện
CHƯƠNG 7 CHỌN KIỂU LOẠI VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TUABIN 7.1. Vấn đề tiêu chuẩn hóa tuabin Do tính đa dạng của nguồn thuỷ năng thiên nhiên, nên các tổ hợp cột nước H và lưu lượng Q ở các trạm TĐ không như nhau, và đòi hỏi cần có nhiều kiểu, loại tuabin khác nhau. Điều đó không có nghĩa là mỗi TTĐ nhất thiết phải thiết kế ra loại tuabin riêng biệt. Những thành tựu nghiên cứu lí thuyết tương tự và mô hình hoá tuabin trong những năm gần đây đã tìm được những kiểu tuabin có chất lượng tốt đáp ứng đầy đủ các yêu cầu xây dựng thủy điện. Để giảm nhẹ công việc tính toán và chế tạo, các đơn vị thiết kế, chế tạo và sử dụng tuabin đều dùng những tài liệu thống nhất về các kiểu tuabin đã được quy cách hoá và tiêu chuẩn hoá. Đó là danh mục tuabin hoặc gam tuabin. Hiện nay ở nước ta chưa có gam tuabin, nên tạm dùng gam tuabin của Liên Xô cũ (LB Nga). Trong danh mục tuabin, người ta chia phạm vi cột nước thường gặp (H = 3 ( 500m) trong tự nhiên ra từng phạm vi cột nước nhỏ, và đề nghị sử dụng một số kiểu BXCT ít nhất đã được tiêu chuẩn hoá trong phạm vi cột nước nhỏ nói trên. Gam tuabin cỡ lớn đang dùng hiện nay ở Liên Xô dùng cho tuabin tâm trục và cánh quay trục đứng là do nhà máy kim loại Lêningrat đề xuất năm 1962 (BH235 - 61), còn gam tuabin phản kích cỡ vừa và nhỏ do Viện nghiên cứu máy thủy lực Liên Xô đề xuất năm 1953. ở Liên Xô không có gam tuabin xung kích thống nhất. Gam tuabin bao gồm các nội dung chính như cách kí hiệu tuabin, các biểu đồ và các bảng ghi các đặc tính kỹ thuật, các đường đặc tính của tuabin. Biểu đồ phạm vi sử dụng của các kiểu tuabin biểu thị bằng toạ độ lgH và lgN (trong đó trục tung - lgN và trục hoành – lgH). Trên biểu đồ phạm vi sử dụng của mỗi kiểu bánh xe công tác là một hình bình hành giới hạn bởi cột nước Hmin, Hmax và công suất Nmin, Nmax. Giới hạn công suất của mỗi kiểu BXCT được xác định bởi đường kính BXCT D1max và D1min thích hợp. Dùng biểu đồ này cho phép chọn được kiểu bánh xe công tác thích hợp với cột nước và công suất đã cho. Những giới hạn phạm vi sử dụng của các hệ và kiểu BXCT theo cột nước được xác định có tính chất sơ bộ, xuất phát từ chiều cao hút HS cho phép theo quan điểm kinh tế và điều kiện độ bền cơ học của cánh BXCT. Đồng thời, mỗi kiểu BXCT còn có một biểu đồ riêng của nó (đôi khi gọi là biểu đồ sản phẩm) cũng được xây dựng trên hệ toạ độ lgH và lgN, dùng biểu đồ này có thể chọn một cách sơ bộ đường kính, số vòng quay và chiều cao hút Hs của tuabin (ở chương trước đã trình bày). Danh mục tuabin phản kích trục đứng cỡ lớn của Liên Xô dùng hiện nay gồm có 9 kiểu BXCT tuabin cánh quay và 8 kiểu BXCT tuabin tâm trục. Các thông số thủy lực và các thông số kết cấu của các kiểu tuabin nói trên đều được ghi rõ trong danh mục tuabin (bảng 5.1 và bảng 5.2); trong đó có một vài kiểu BXCT tuy chưa được dùng
trong thực tế nhưng qua sự phân tích các chỉ tiêu năng lượng và khí thực cho thấy có nhiều ưu điểm tốt có thể đưa vào sản xuất được. Đặc trưng cơ bản của tuabin được kí hiệu bởi một số chữ viết và chữ số và được sắp xếp theo một thứ tự nhất định gọi là nhãn tuabin. Nhãn hiệu của tuabin thể hiện 3 nội dung chính sau và được phân biệt bởi dấu "-" kiểu tuabin - phương thức bố trí tuabin - kích thước đặc trưng của tuabin. Hình 7.1a: Biểu đồ phạm vi sử dụng của các kiểu tuabin loại lớn. Kiểu tuabin: Kiểu tuabin chỉ hệ tuabin và kiểu BXCT. Hệ tuabin được kí hiệu bởi chữ đầu (viết tắt) của các hệ tuabin (theo kí hiệu của Liên Xô): Cánh quay: CQ (Л (kí hiệu cũ: K) Tâm trục: TT - PO (kí hiệu cũ: Ф) Cánh quạt: CQq Gáo: K (KB); Cánh chéo (Д(Л). Hai hệ tuabin đầu có trong danh mục tuabin cỡ lớn của Liên Xô. Tiếp theo phần chữ viết là cột nước lớn nhất của kiểu BXCT đó (viết ở tử số) và số hiệu mẫu thí nghiệm (viết ở mẫu số). Phương thức bố trí tuabin - chỉ vị trí trục tuabin, trong đó: trục đứng (B), trục ngang (Γ) và kiểu buồng tuabin như sau:
Hình 7.2: Biểu đồ phạm vi sử dụng của mỗi kiểu tuabin. Buồng xoắn kim loại: M Buồng xoắn bê tông: Б Buồng hở: O Buồng chính diện: Ф Trong các kí hiệu của Liên Xô gần đây, người ta chỉ quy định vị trí trục tuabin mà không có kí hiệu kiểu buồng tuabin. Kích thước đặc trưng: Chỉ đường kính tiêu chuẩn của BXCT với đơn vị là (cm). Ví dụ: Kí hiệu (Л30/587 - BБ – 500 có nghĩa là tuabin cánh quay với cột nước lớn nhất Hmax = 30m, số hiệu mẫu thí nghiệm 587, trục đứng, buồng xoắn bê tông, đường kính BXCT D1 = 500cm. Đối với tuabin xung kích chưa có kí hiệu thống nhất nên ở đây chỉ giới thiệu cách kí hiệu tuabin gáo dùng trước đây ở Liên Xô. Nhãn hiệu tuabin gáo gồm hai phần và liên hệ bởi dấu “–“. Phần thứ nhất chỉ:hệ tuabin gáo (KB): vị trí trục tuabin (giống các ký hiệu của tuabin phản kích) và đường kính tiêu chuẩn BXCT (D1) với đơn vị là (cm). Nếu mỗi trục có lắp BXCT thì thêm vào sau đường kính D1 số lượng BXCT trên mỗi trục. Phần thứ hai: chỉ đường kính dòng tia (mm) và số vòi phun trên mỗi BXCT. Chẳng hạn: KBΓ 125 x 1 – 140 x 2 có nghĩa là tuabin gáo; trục ngang; đường kính D1 = 125, một BXCT; đường kính dòng tia 140mm và có hai vòi phun lắp trên BXCT.
Hình 7.3: Kích thước cơ bản của tuabin phản kích 7.2. Phạm vi sử dụng cột nước của các loại tuabin thường dùng hiện nay Phạm vi cột nước của mỗi kiểu BXCT tuabin (Hmin ÷ Hmax) được quy định (một cách gần đúng) xuất phát từ chiều cao hút cho phép hợp lý (xét về mặt kinh tế) và độ bền cơ học của BXCT và cánh bộ phận hướng nước. Các tuabin phản kích có thể sử dụng trong phạm vi cột nước như sau: 1. Tuabin hướng trục: H = 2 ÷ 80m 2. Tuabin hướng trục cánh kép:H = 30 ÷ 100m 3. Tuabin cánh chéo: H = 30 ÷ 150m 4. Tuabin tâm trục: H = 30 ÷ 550m (phổ biến là H = 30 ÷ 350m) 5. Tuabin gáo: H ≥ 200m Nhờ những thành tựu của ngành chế tạo tuabin trong những năm gần đây nên phạm vi sử dụng cột nước của nó không ngừng được mở rộng. Trước đây tuabin hướng trục đặc biệt là tuabin cánh quay trục đứng thường sử dụng với cột nước H =15 ÷ 50m, ngày nay phạm vi đó mở rộng đến H = 10 ÷ 80m. Sử dụng tuabin hướng trục trục đứng với cột nước thấp hơn (H<10m) phạm vi nói trên sẽ làm tăng kích thước cũng như trọng lượng tổ máy, giá thành xây dựng nhà máy của TTĐ cũng tăng lên. Bởi thế, trong những năm gần đây đối với phạm vi cột nước H = 3 ÷ 15m người ta sử dụng tổ máy capxun trục ngang có tỉ tốc lớn và rẻ hơn. Sở dĩ sử dụng tuabin cánh quay trục đứng ở phạm vi cột nước tương đối cao (H=50÷80m) là để tăng hiệu suất bình quân của tổ máy trong trường hop trạm thuỷ điện làm việc với phụ tải và cột nước thay đổi
tương đối lớn. Vì tuabin tâm trục làm việc trong điều kiện đó sẽ cho hiệu suất bình quân tương đối thấp, do đó, lượng điện do TTĐ phát ra cũng sẽ bé. Nhưng mặt khác, tuabin hướng trục đứng có đặc tínhkhí thực kém hơn so với tuabin tâm trục, bởi thế tuabin cánh quay hạn chế làm việc ở cột nước cao. Kinh nghiệm cho thấy, hệ tuabin có lợi về mặt kinh tế chỉ khi chiều cao hút Hs không nhỏ hơn -6 ÷ 8m. Vì vậy gần đây người ta sử dụng hệ tuabin mới, nó có thể kết hợp được các mặt ưu điểm của các hệ tuabin nói trên, như có hiệu suất bình quân tương đối cao khi cột nước h và phụ tải dao dộng lớn (tuabin cánh quay) và có đặc tính khí thực và độ sâu lắp đặt tuabin tương đối nhỏ (tuabin tâm trục). Đó là hệ tuabin chéo trục, về thực chất là hệ tuabin cánh quay hướng chéo (ДΠЛ). Hiện nay tuabin hướng chéo trong thực tế đã sử dụng với phạm vi cột nước H = 30 ÷ 200m (bảng 1.1). Tuabin tâm trục hiẹn nay thường dùng với cột nước H = 30 ÷ 700m, như vậy nó đã thay thế phạm vi cột nước, H = 300 ÷ 700m mà đáng lẽ trước đây thường dùng tuabin gáo. Trong phạm vi cột nước nói trên nên dùng tuabin gáo chỉ khi phụ tải của tuabin đảm nhận giao động nhiều; nước lẫn nhiều tạp chất và điều kiện xây dựng không cho phép tuabin lắp đặt ở độ sâu quá lớn. Ở các điều kiện khác, nên sử dụng tuabin tâm trục vì hiệu suất của nó lớn hơn tuabin gáo từ 2 ÷ 3%. Hiện nay, tuabin gáo chủ yếu dùng ở cột nước lớn hơn 500m (H=500 ÷ 2000m) Đối với tuabin cỡ nhỏ, vì điều kiện xây dựng cũng như khả năng chế tạo nên phạm vi sử dụng cột nước có thể thay đổi. Chẳng hạn, đối với tuabin gáo cỡ nhỏ có thể sử dụng với cột nước H ≥ 100m; tuabin tâm trục: H = 3 ÷ 80m; tuabin cánh quạt H = 2 ÷ 16m v.v 7.3. Chọn tuabin theo đường đặc tính tổng hợp chính (ĐĐTTHC). Sử dụng bảng danh mục tuabin nói trên có thể chọn được kiểu BXCT và các thông số cơ bản (thông số kết cấu và thông số thuỷ lực) phù hợp với công suất yêu cầu đặc tính tuabin: Dùng các thông số nói trên để chọn tuabin cho phép các nhà máy chế tạo tổ chức sản xuất tốt hơn, còn đối với đơn vị xây dựng có thể sử dụng các thiết bị cơ khí thuỷ lực (cửa cống, thiết bị cần trục v.v ) đã được tiêu chuẩn hoá và quy cách hoá. Sau khi xác định kích thước (đường kính BXCT D1), số vòng quay đồng bộ n và chiều cao hút Hs của một số phương án theo các số liệu đã cho, căn cứ vào kết quả tính toán; so sánh kinh tế kỹ thuật sẽ chon được phương án thiết bị tuabin cho TTĐ lợi nhất. Nếu theo số liệu đã cho chỉ chọn trong danh mục tuabin được 1 kiểu BXCt thì khi xác định đường kính D1 và số vòng quay n có thể thay đổi chút ít đại lượng quy dẫn lưu lượngvà số vòng quay của điểm tính toán trên ĐĐTTHC để có được các phương án D1 và n khác nhau. Khi so sánh phương án cần dựa vào những tiêu chuẩn cơ bản, sau đây: +) Trị số hiệu suất tuyệt đối và hiệu suất bình quân (thể hiện ở vùng làm việccủa các phương án trên ĐĐTTHC); +) Chiều cao hút và kích thước ngoài của khối tuabin (kích thước ngoài của buồng tuabin và ống hút). Chiều cao hút lớn hay bé có liên quan trực tiếp đến cao trình đặt
tấm móng của nhà máy TTĐ cũng như khối lượng đất đá và bê tông khi xây dựng TTĐ: +) Đường kính BXCT D1 và số vòng quay tuabin n, vì nó có ảnh hưởng đến kích thước và trọng lượng của tổ máy. Sau đây giới thiệu các bước lựa chọn tuabin. Lựa chọn tuabin cần dựa theo số liệu và tài liệu ban đầu (gốc) sau đây: Những số liệu gốc cần cho trước để lựa chọn tuabin là: 1. Phạm vi thay đổi và các trị số làm việc của tuabin, gồm: cột nước tính toán Htt, cột nước nhỏ nhất Hmin, cột nước lớn nhất Hmax. 2. Công suất định mức (tính toán) của tuabin. 3. Độ sâu móng nhà máy hoặc chiều cao hút cho phép. 4. Đường quan hệ giữa mực nước hạ lưu với lưu lượng của TTĐ. 5. Các yêu cầu và điều kiện khác có liên quan đến biểu đồ phụ tải, điều kiện địa hình, địa chất (nếu có) v.v Những tài liệu kỹ thuật gốc cần có để lựa chọn các thông số cơ bản của tuabin là danh mục tuabin bao gồm: các ĐĐTTHC, các biểu đồ phạm vi sử dụng (hình 7.1a,b,c và hình 7.2), các bảng 7.1 và 7.2: cho biết các thông số thuỷ lực và thông số kết cấu của các kiểu tuabin. Ngoài ra còn có các đường đặc tính lực nước dọc trục tác dụng lên BXCT; đường đặctính quay lồng v.v Sử dụng các tài liệu kỹ thuật nói trên có thể xác định được đường kính BXCT D1 càn có để phát đủ công suất định mức của tuabin khi cột nước tính toán đã cho; số vòng quay đồng bộ của tổ máy thuỷ lực, chiều cao hút Hs của tuabin đối với chế độ làm việc đã cho; số vòng quay lồng và lực dọc trục của tổ máy (để nhà máy chế tạo máy phát điện có thể thiết kế máy phát điện và ổ trục chặn của tổ máy thuỷ lực); trị số độ mở của bộ phận hướng nước và góc quay của BXCT ở các chế độ khác nhau; hình dạng và kích thước buồng xoắn, ống hút; từ đó mà xác định kích thước ngoài của khối tuabin. Để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật và chọn kiểu tuabin còn cần vẽ các đường đặc tính vận hành (mục III) cho một số phương án theo điều kiện đã cho, căn cứ phụ tải và thời gian (ở biểu đồ phụ tải điện) có thể xác định hiệu suất bình quân và lượng điện bình quân của các phương án. 7.3.1. Chọn hệ tuabin và kiểu BXCT Hệ tua bin và kiểu BXCT được chọn theo cột nước lớn nhất của tuabin (bảng 7.1, 7.2 và hình 7.1a, 7.1b, 7.1c). Cột nước lớn nhất của mỗi kiểu BXCT được quy định theo yêu cầu bảo đảm chiều cao hút Hs hợp lý và độ bền cơ học cho phép của BXCT tuabin. Với trị số Hs nhỏ nhất cho phép (ở Liên Xô Hs bé nhất là -8m) và hệ số khí thực ú đặc trưng cho mỗi kiểu BXCT thí nghiệm nhất định, thì cột nước của mỗi kiểu BXCT sẽ được xác định (gần đúng) theo quan hệ như sau: 10,0 − H H = s σ
Ở đây σ được tính ứng với cột nước và công suất tính toán. Ngoài ra khi chọn hệ tuabin và kiểu BXCT cần căn cứ phạm vi sử dụng cột nước đã nêu ở phần trên và cần xét tới điều kiện vần hành của TTĐ như biểu đồ phụ tải và phạm vi dao động công suất và cột nước của TTĐ; tới đặc điểm bố trí công trình thuỷ công của TTĐ và nhà máy v.v 7.3.2. Xác định các thông số cơ bản của tuabin a. Đường kính BXCT D1 Lợi dụng đường ĐTTHC của kiểu BXCT đã chọn có thể tính được đường kính tuabin theo công thức; N D = (7.1) 1 ' 9,81ηTQHH1 tt tt Trong đó: N - công suất tính toán của tuabin (kW); Htt - cột nước tính toán (m); ηT - hiệu suất tuabin, sơ bộ chọn ηT = 0,88 ÷ 0,90; ' 3 Q1 - lưu lượng quy dẫn (m /s) lấy ở điểm tính toán trên đường dữ trữ công suất ' 5% hoặc trị số Q1max cho ở bảng 7.1 hoặc bảng 7.2. ' Thế trị số Q1 chọn được vào công thức trên, sẽ tính được D1 và làm tròn D1 đến trị số đường kính D1 tiêu chuẩn lớn hơn gần bằng (cho tuabin cánh quay) hoặc trị số đường kính D1 tiêu chuẩn nhỏ hơn gần bằng (cho tuabin tâm trục), nếu trị số D1 tính ' ' toán gần với trị số đường kính tiêu chuẩn, và trị số Q1max không vượt quá trị số Q1min ÷ ' Q1max cho ở bảng 7.1 hoặc 7.2. Phạm vi này được quy định theo điều kiện bảo đảm ' chiều cao hút thích hợp. Đường kính D1 tính theo trị số Q1 nói trên đảm bảo có phần ' dư (dự trữ) công suất từ 1 ÷ 2%. Nói chung trị số Q1 lấy trực tiếp trên đường ĐTTHC ' của mẫu mà không cần phải tính thêm lượng dư ΔQ1 theo công thức ⎛ η ⎞ ΔQQ' = ' ⎜ T max −1⎟ . Như vậy phần dư công suất của tuabin đều lớn hơn mẫu của nó. 1 1 ⎜ ⎟ ⎝ η M max ⎠ Các trị số đường kính tiêu chuẩn cho ở bảng 5.5 b. Số vòng quay đồng bộ, n : Biết số vòng quay quy dẫn tại điểm tính toán của ĐĐTHC có thể tính được số vòng quay tuabin : n' H n = I bh (7.2) D1 trong đó : Hbq- Cột nước bình quân, nếu không cho trước thì có thể lấy gần đúng bằng cột nước tính toán Htt;
n’I- Số vòng quay quy dẫn tính toán của tuabin; trị số n’I có thể lấy trên đường ĐTTHC đi qua điểm lớn hơn 10÷20 vg/ph so với điểm có hiệu suất cao nhất (đối với tuabin cánh quay) hoặc cao hơn 2÷ 5 vg/ph (đối với tuabin tâm trục). Cũng cần chú ý khi tính đổi n’I từ mẫu sang thực thì số vòng quay quy dẫn của tuabin n’I lớn hơn mẫu là Δn’I; Δn’I=n’IT - n’IM ở đây Δn’I lấy trị số như nhau cho mỗi điểm trên ĐĐTTHC theo công thức : ⎛ η ⎞ Δn' = n ' ⎜ Tt− −1⎟ (7.3) I I t − ⎜ ⎟ ⎝ η Mt − ⎠ Sau khi tính toán được n cần làm tròn nó đến số vòng quay đồng bộ gần bằng cho ở f60 bảng (7.3) ( trong đó n = , ở đây f- tần số điện ( ở nước ta – 50 Hez ); p- số đôi cực p từ). Bảng 7.3: Số vòng quay đồng bộ của máy phát điện p n p n p n p n 6 1000,0 28 214,3 56 107,1 96 62,5 8 750,0 (30) (200,0) 60 100,0 100 60,0 10 600,0 32 187,5 64 93,8 104 57,7 12 500,0 26 230,8 68 88,2 108 55,6 14 428,6 (38) (157,9) 72 83,3 112 53,6 (16) 375,0 40 150,0 (74) (81,1) 116 51,7 (18) (333,3) 44 136,4 (76) (78,9) 120 50,0 20 300,0 46 130,4 80 75,0 128 46,9 22 272,7 48 (125,0) (84) (71,4) 136 44,1 24 250,0 (50) (120,0) 88 68,2 144 41,7 26 (230,8) 52 115,4 92 65,2 150 40,0 Ghi chú : các trị số trong dấu ( ) không nên chọn vì lý đo công nghệ chế tạo máy phát điện. Để kiểm tra việc chọn các trị số D1 và n nói trên có chính xác hay không ta có thể làm như sau : Trước hết tính các trị số quy dẫn n’I và Q’I theo công thức sau đây: nD1 nD1 'n Im ax = ; 'n Im in = ; H min H max
N max N min Q = ; Q = I(H)max 2 I(H)min 2 9,DHH 81 1 max maxη T 9,DHH 81 1 min minη T Và dời các điểm nói trên lên đường ĐTTHC ta được vùng làm việc của tuabin. Nếu vùng làm việc này bao lấy vùng hiệu suất cao của ĐĐTTHC thì chứng tỏ việc chọn D1 và n là vùng chính xác. Nếu vùng làm việc nói trên cách xa vùng hiệu suất cao của ĐĐTTHC thì phải chọn đường kính D1 hay số vòng quay khác hoặc thay đổi cả hai trị số đó, đôi khi phải chọn kiểu BXCT trong hệ tuabin khác. Muốn đánh giá một cách tỉ mỉ hơn về việc chọn D1 và cần phải xây dựng đường đặc tính tổng hợp vận hành và các xác định hiệu suất bình quân cho mỗi phương án. Phương án tuabin cho hiệu suất bình quân cao nhất được coi là phương án tốt nhất xét về mặt năng lượng, c. Lựa chọn chiều cao hút Hs: Với điểm tính toán đã chọn trên ĐĐTTHC của mẫu ta tìm được hệ số khí thực σM, từ đó sẽ tính được chiều cao hút của tuabin ở chế độ làm việc đã cho theo công thức sau đây: ∇ H,=10 0 − −()σ + Δσ H (7.4) S 900 M Trong đó : ∇- độ cao nhà máy so với mặt biển ; Δσ- độ hiểu chỉnh hệ số khí thực (hình vẽ) H – cột nước làm việc của tuabin ở chế độ đã cho; σM- hệ số khí thực trên ĐĐTTHC tại điểm tính toán . Khi công suất và cột nước của tuabin thay đổi thì các đại lượng quy dẫn Q’I, n’I sẽ thay đổi và do đó hệ số khí thực σM cũng thay đổi theo. Bởi thế, chiều cao hút cho phép HS cũng phụ thuộc vào công suất và cột nước làm việc tuabin. Mặt khác, cột nước của trạm thuỷ điện lại phụ thuộc vào sự dao động của mức nước thượng lưu và hạ lưu . Do đó, muốn chọn HS hợp lý cần phải xét các tổ hợp mực nước và cột nước khác nhau và tính ra trị số HS cho phép với mỗi tổ hợp nói trên. Cao độ (cao trình) lắp đặt BXCT cao nhất cho phép bằng chiều cao hút HS cộng với cao trình mực nước hạ lưu cho mỗi trường hợp nói trên. Muốn cho tuabin khi làm việc không có khi thực trong mọi điều kiện phải lấy cao độ thấp nhất nói trên làm cao trình lắp máy của TTĐ. Cao trình mực nước hạ lưu ∇h dược xác định theo đường quan hệ ∇h=f(Q) ứng với lưu lượng đã biết của TTĐ. Khi lưu lượng xả qua TTD nhỏ nhất thì mực nước hạ lưu có trị số nhỏ nhất . Thông thường cao trình mực nước hạ lưu xác định theo số lượng tổ máy làm việc ít nhất của TTĐ. Để bảo đảm tuabin vận hành trong những điều kiện này không xảy ra khí thực càn hạn chế công suất tuabin theo đường đặc tính tổng hợp vận hành.
7.3.3. Số vòng quay lồng Số vòng quay lồng là số vòng quay đột biến lớn nhất của tuabin khi cắt phụ tải toàn bộ mà bộ phận hướng nước không thể đống vì một lý do nào đó. Số vòng quay lồng của tổ máy phụ thuộc vào đặc tính thuỷ lực của BXCT và cột nước lớn nhất cuả tuabin . Trị số vòng quay lồng quy dẫn được xác định theo thí ' nghiệm quay lồng và cho ở bảng (7.1) và bảng (7.2). Biết n Il ó thể tính được số vòng quay lồng của tuabin theo công thức sau: ' nIl H max n l = (7.5) D1 7.3.4. Lực dọc trục Lực dọc trục tác dụng lên ổ chặn của tổ máy được xác định theo công thức sau đây: 2 PZ= P zn + GKDH = z 1 max + 1,1G( b + G r + G t ) (7.6) Trong đó: Pzn - áp lực nước dọc trục; Kz - hệ số áp lực nước dọc trục (bảng 7.1); Gb - trọng lượng BXCT; Gr - trọng lượng roto máy phát điện kèm theo trục; Gt - trọng lượng trục tuabin; Hệ số 1,1 - xét đến trọng lượng của các phần quay khác của tuabin và máy phát điện. Trọng lượng BXCT tuabin phản kích cho ở hình (7.11), còn trọng lượng rôto máy phát điện lấy bằng 0,5 trọng lượng toàn bộ máy phát (hình 7.12). 7.3.5. Buồng tuabin Xác định kích thước mặt bằng và các tiết diện buồng đã trình bày ở chương 4. 7.3.6. Ống hút Khi biết kiểu BXCT có thể chọn được kiểu ống hút và các kích thước cơ bản của nó theo bảng. 7.4. Chọn tuabin theo biểu đồ sản phẩm Lợi dụng biểu đồ riêng ở hình (7.2) có thể chọn một cách sơ bộ các thông số cơ bản của tuabin. Trình tự lựa chọn như sau: 1. Căn cứ cột nước lớn nhất chọn kiểu BXCT theo hình (7.1) hoặc bảng (7.1). Bước này cũng giống như cách chọn tuabin theo đường đặc tính tổng hợp chính. 2. Biết cột nước tính toán Htt và công suất tính toán của tuabin tra ở biểu đồ riêng (hình 7.2) được đường kính D1 và số vòng quay đồng bộ n. 3. Căn cứ cột nước tính toán tra quan hệ chiều cao hút hs và cột nước, hs =f(H) cho ở cạnh biểu đồ sản phẩm ta tìm được chiều cao hút Hs. Chiều cao hút Hs của tuabin bằng:
∇ H= h − s s 900 trong đó: ∇- cao trình mực nước hạ lưu so với mặt biển; Đối với tuabin hướng trục, đường quan hệ hs =f(H) nói trên gồm hai đường giới hạn hsmin và hsmax. Căn cứ vào trị số Ntt và Htt đã cho nằm ở điểm nào của hình bình hành trên biểu đồ riêng để xác định trị số hs. Chẳng hạn điểm tính toán nằm ở cạnh trên của hình bình hành thì lấy hs ở đường trên; nằm ở cạnh dưới thì lấy hs ở đường dưới, còn nằm ở giữa hai cạnh thì nội suy để tìm hs. Sau đây tìm hiểu ví dụ về chọn tuabin theo biểu đồ riêng. Cho Htt = 11m, công suất tính toán Ntt = 5000kw; ∇ = 90m. Căn cứ Htt (ở đây vì không cho trước Hmax) tra ở hình (7.1) được kiểu BXCT ΠЛ510-BБ. Dựa theo biểu đồ riêng tra được D1, n và hs ứng với Htt = 11m lần lượt là D1 = 300cm; n = 166,7v/ph và hs = +1,0m, như vậy Hs sẽ bằng: ∇ 90 H= h − =0,1 − = +0,9m s s 900 900 7.5. Lựa chọn các thông số cơ bản của tuabin gáo 7.4.1. Các thông số thủy lực cơ bản của tuabin gáo. Các đại lượng quy dẫn, tỉ tốc của tuabin gáo được suy diễn theo các quan hệ đã cho ở mục 2.3. Lưu lượng quy dẫn được xác định bắt đầu từ lưu lượng tuabin gáo có một BXCT và một vòi phun. πd 2 Q = 0 ϕ 2gH (7.7) 4 Trong đó: do- đường kính dòng tia; ' v0 = ϕ 2gH - vận tốc dòng tia. Từ đó lưu lượng quy dẫn Q I sẽ bằng: 2 2 Q πϕ 2g ⎛ d ⎞ ⎛ d ⎞ Q' = = ⎜ 0 ⎟ =3,48 ϕ⎜ 0 ⎟ (7.8) I 2 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ DH1 4 ⎝ D1 ⎠ ⎝ D1 ⎠ trong đó: ϕ = 0,97 ÷ 0,98 Đối với tuabin có Zo vòi phun thì: 2 ⎛ d ⎞ Q' 3,48 Z ⎜ 0 ⎟ (7.9) I = ϕ 0 ⎜ ⎟ ⎝ D1 ⎠ Số vòng quay quy dẫn: nD 60ω 2gD n ' =1 = 1 =84,5 ϕψ (7.10) I H 2π 2gH trong đó: ϕψ = u ≈ 0,44 ÷ 0,48 (theo Đ2.3). Công suất quy dẫn:
2 ⎛ d ⎞ N' 9,81Q' 34 Z ⎜ 0 ⎟ (7.11) I =I η = η0 ϕ⎜ ⎟ ⎝ D1 ⎠ Tỉ tốc tuabin: 2 ⎛ d ⎞ d ' ' ⎜ 0 ⎟ 0 ns = 3,65nI QIη = 3,65.84,5ϕψ 3,48 ϕ Z0 ⎜ ⎟ η = 576Ku ηϕ Z0 (7.12) ⎝ D1 ⎠ D1 Khi ϕ = 0,98; η = 0,88; Ku = 0,47 ÷ 0,48 thì các đại lượng quy dẫn kể trên sẽ bằng: ' ' nI = 37,2 ÷ 40,5; (trong đó nIbq = 38,5 )(7.13) 2 ⎛ d ⎞ Q' 3,4Z ⎜ 0 ⎟ (7.14) I = 0 ⎜ ⎟ ⎝ D1 ⎠ 2 ⎛ d ⎞ N' 28,3Z ⎜ 0 ⎟ (7.15) I = 0 ⎜ ⎟ ⎝ D1 ⎠ d 0 ns =() 231 ÷ 252 Z0 (7.16) D1 d Từ công thức (7.12) ta thấy tỉ tốc của tuabin gáo tỉ lệ thuận với 0 và căn bậc 2 D1 D1 của số vòi phun. Tỉ số cang nhỏ thì tỉ tốc càng lớn. Chẳng hạn với Z0 = 1 và tỉ số d 0 ⎛ D1 ⎞ ⎜ ⎟ =6 ÷ 7 thì ns tương ứng là 37 ÷ 43. ⎝ d 0 ⎠ min Với tuabin có nhiều vòi phun: Z0 = 2 ns = 53 ÷ 61 Z0 = 3 ns = 65 ÷ 75 Z0 = 4 ns = 75 ÷ 87 Z0 = 5 ns = 93 ÷ 97 Z0 = 6 ns = 91 ÷ 116 D Nhưng khi tỉ số 1 <6 ÷ 7 thì hiệu suất sẽ giảm rất nhanh. Bởi thế, các tuabin gáo d 0 ⎛ D1 ⎞ hiện nay thường được thiết kế với nsmax = 60 và ⎜ ⎟ =10 ÷ 18 , tương ứng với tỉ ⎜ d ⎟ ⎝ 0 ⎠ t - tóc của một vòi phun là ns = 14 ÷ 26. Thực nghiệm cho thấy, đường kính dòng tia không nên nhỏ hơn 55mm, ở tuabin gáo cỡ lớn, d0 có thể đạt tới trị số lớn hơn nữa.
7.4.2. Xác định các thông số cơ bản của tuabin gáo. Khi thiết kế tuabin gáo cần cho trước các cột nước Hmin, Hmax, Htt và công suất định mức của tuabin và số lượng tổ máy của TTĐ. Trong quá trình thiết kế cần xác định được: kiểu tuabin; đường kính D1; đường kính dòng tia d0; số lượng vòi phun; số vòng quay. Lưu lượng lớn nhất chảy qua tuabin ứng với công suất và cột nước tính toán được xác định theo công thức: 102N tt Q max = (7.17) H tt η Trong đó: η - hiệu suất tuabin gáo, η = 0,86 ÷ 0,90 phụ thuộc vào kích thước và kiểu tuabin. Đường kính dòng tia d0 được xác định theo công thức (7.18): 4Q max Q max d 0 = =17,3 (7.18) πZ 0ϕ 2gH t ZH0 tt Trong đó: Z0- số vòi phun; φ - hệ số vận tốc, φ = 0,97. D Vì số vòi phun và tỉ số 1 = 10 ÷ 18, sau đó chọn lấy phương án tốt nhất. Khi d 0 chọn phương án có thể căn cứ vào một số đặc điểm của tuabin gáo sau đây. Xác định số vòng quay đồng bộ của tổ máy có thể căm cứ vào công thức (7.10), ở ' ' đây số vòng quay n I lấy bằng số vòng quay tối ưu, nI = 29 vg/ph. D Tăng số vòi phun và giảm tỉ số 1 sẽ có thể thu nhỏ kích thước tuabin cũng như d 0 trọng lượng và gia thành của nó; đồng thời tăng số vòng quay của tuabin. Trọng lượng máy phát điện tỉ lệ nghịch với bình phương số vòng quay, do đó khi tăng số vòng quay thì trọng lượng máy phát điện và momen đà sẽ giảm xuống rất rõ rệt. Vì vậy, để giảm kích thước và giá thành thiết bị năng lượng cũng như nhà máy của TTĐ nên chọn D phương án tuabin có só vòng quay lớn. Nhưng cũng cần lưu ý, tỉ số 1 càng nhỏ thì d 0 ứng lực trong BXCT càng tăng lên. ' Với trị số nI tính toán và số vòng quay n đã chọn ta có thể xác định đường kính theo công thức: n' H D = Itt tt (7.19) 1 n Sau khi đã xác định được D1, căn cứ vào các thông số quy dẫn và hiệu suất trên đường ĐTTHC có thể tính được d0:
' d 0tt = 0,545DQ1 I (7.20) ' ở đây: QI - lưu lượng quy dẫn qua một vòi phun. Đường kính miệng vòi phun d0 = (1,1 ÷ 1,2)d0tt. Cần lưu ý khi d0 ≥ 55mm thì hiệu suất của tuabin lấy bằng mẫu cho ở đường ĐTTHC; tức là ηT = ηM và Δη = 0. Kích thước cơ bản của cánh (gáo) lấy như sau (hình 7.4). B = (2,8 ÷ 4)d0; L = (0,7 ÷ 0,9)B; h = (0,25 ÷ 0,3)B; b = 1,2d0 +5mm; D1 E = (0,9 ÷ 1,2)d0. Số cánh z (gáo) phụ thuộc vào tỉ số và cho ở bảng 7.4 d 0 Hình 7.4: Các kích thước chính của cánh tuabin gáo. Bảng 7.4: Quan hệ giữa Z và D1/d0 D 1 6 8 10 15 20 25 d 0 Z 17 ÷ 20 18 ÷ 22 19 ÷ 27 22 ÷ 27 27 ÷ 30 26 ÷ 33 7.6. Ví dụ về chọn tuabin Ví dụ 1: Cho biết Hmax = 75m; Htt = 63m; Hmin = 50m;. Cao trình lắp đặt tuabin so với mặt biển ∇ = 270m; công suất tính toán của tuabin N = 160000kW; mực nước hạ lưu thấp nhất Zhlmin = 120m. 1. Với cột nước Hmax = 75m tra ở hình 7.1 được kiểu BXCT PO75/702 - B. 2. Đường kính BXCT D1: ' Tra trên đường ĐTTHC (hình 7.5) của kiểu tuabin PO75/702 được QI = 1150l/s (ứng với đường dự trữ 5%); hiệu suất η sơ bộ lấy bằng 0,9 theo công thức (7.1) ta có: 160000 D = = 5,57m 1 9,81x0,9x1,15x63 63 lấy D1 tiêu chuẩn bằng 5,5m.
3. Số vòng quay đồng bộ n: Số vòng quay đồng bộ của tuabin tính theo công thức (7.2), trong đó ' ' ' ' nI = nImtu + Δ nI ; ( nImtu = 70vg/ph) ⎛ 0,942 ⎞ Δn' = 70⎜ −1⎟ = 1,5vg/ph ≈ 2vg/ph I ⎜ ⎟ ⎝ 0,905 ⎠
V ậ y s ố vòngquaynb ằ ng: Hình 7.5: Đường dặc tính tổng hợp chính của kiểu BXCT PO75/702
(70+ 2) 63 n = = 104vg/ph 5,5 và chọn theo số vòng quay đồng bộ cho ở bảng (7.3) được n = 107,1vg/ph. 4. Kiểm tra vùng làm việc của tuabin. Khi cột nước làm việc của tuabin dao động từ 50 ÷ 75m thì vùng làm việc của ' tuabin sẽ được giới hạn bởi hai đường ngang có nIT bằng: 107,1.5,5 n' = =83,3 ÷ 68,0 vg/ph IT 50÷ 75 ' và tương ứng với đường ĐTTHC sẽ là: nIM = 81,3 ÷ 66,0 vg/ph, như vậy vùng lamg việc của tuabin có D1 = 5,5m và n = 107,1 vg/ph đã chọn là chính xác vì nằm gần gọn trong vùng hiệu suất cao của đường ĐTTHC. 5. Chọn chiều cao hút Hs Với điểm tính toán đã biết, tra trên đường ĐTTHC được σM = 0,13 và Δσ = 0,022 (hình 7.4), vậy Hs ứng với chế độ tính toán bằng: 270 H =10,0 − −()0,13 + 0,022 63= − 0,5m s 900 b 0,25.5,5 và HH' = +0 = −0,5 + = 0,2m s s 2 2 6. Cao trình lắp máy ∇lm của TTĐ Mực nước hạ lưu thấp nhất Zhlmin = 120m nên ∇lm bằng: ' ∇lm =HZ s + hl min =0,2 + 120 = 120,2m 7. Số vòng quay lồng của tuabin Số vòng quay lồng quy dẫn của kiểu BXCT PO75/702 tra ở bảng (7.1): ' nIl = 132 vg / ph , vậy số vòng quay lồng của tuabin là: ' nIl H max 132 75 nl = = = 208vg / ph D1 5,5 8. Lực dọc trục Áp lực nước dọc trục tính theo công thức (7.6) trong đó hệ số kzn tra bảng 7.1 được 0,27T/m3: 2 2 Pzn= k zn D1 Hmax = 0,27.5,5 .75= 612T ; trọng lượng BXCT Gb = 87T (tra ở hình 7.7); trọng lượng trục tuabin lấy bằng Gt = 0,8Gb = 69,6T; trọng lượng toàn bộ của máy phát điện tra ở hình 8.2) (ứng với công suât máy phát điện Nmpđ = 0,97x160000 = 155000kW và số vòng quay n = 107,1 vg/ph) là 140T, nên trọng lượng của rôto máy phát điện lấy bằng 0,5 trọng lượng toàn bộ của máy phát điện bằng 700T (kể cả trục máy phát điện). Vậy lực tác dụng lên ổ chặn của tỏ máy bẳng: PPGz= zn + =612 + 1,1(87 + 69,6 + 700)= 1554T
Ví dụ 2: Cho biết công suất tính toán của tuabin Ntt = 45000kW; cột nước làm việc: Hmax = 13m; Htt = 10m; Hmin = 8m; ∇ = 160m; Zhlmin = 150m. Chọn hệ tuabin: kiểu BXCT và các thông số cơ bản của nó. 1. Chọn hệ tuabin và kiểu BXCT của nó: Với cột nước Hmax = 13m,n tra ở bảng 7.1 được kiểu tuabin ΠЛ15/510 – B. 2. Xác định đường kính BXCT D1 Với kiểu BXCT đã chọn tra trên đường ĐTTHC (hoặc bảng 7.1) được ' QI = 2150 l / s ; còn hiệu suât tuabin ηT sơ bộ lấy bằng 0,88, nên đường kính D1 bằng: 45000 D = = 8,75m 1 9,81x0,88x2,15x10 10 Chọn D1 theo đường kính tiêu chuẩn cho ở bảng (7.5): D1 = 9m. Với D1 = 9m thì lưu lượng quy dẫn thực tế sẽ là: 45000 Q' = = 2,03m3 / s I 9,81.0,88.92 10 10 ' 3 ' tra ở đường ĐTTHC ứng với QI = 2,03 m / s và nItt = 150 vg / ph được a0maxM = 31mm. Hiệu suất lớn nhất của tuabin tính theo công thức: D1M 0,46 5 5 ηT max =1 −() 1 −ηM max =1 −() 1 − 0,875 = 0,931 D1T ` 9,0 ' do đó: ΔnI sẽ được tính theo công thức sau đây: ⎛ 0,931 ⎞ Δn' = 150⎜ −1⎟ = 4,5vg / ph I ⎜ ⎟ ⎝ 0,875 ⎠ 3. Xác định số vòng quay đồng bộ n: Số vòng quay đồng bộ của tuabin tính theo công thức (7.2) trong đó: '' ' nIT= n IM + Δ nI =132 + 4,5 ≈ 137vg / ph , với (Hbq = Htt = 10m). 137 10 n = = 48vg / ph 9 lấy theo số vòng quay đồng bộ cho ở bảng (7.3) được n = 50vg/ph. Với phạm vi dao động cột nước của tuabin từ 8 ÷ 13m thì số vòng quay quy dẫn của tuabin là: 50.9 n' = =160 ÷ 125vg / ph ; IT 8÷ 13 Số vòng quay quy dẫn của mô hình sẽ thay đổi trong phạm vi ' nIM =155 ÷ 120vg / ph .
' Vùng làm việc của tuabin giới hạn bởi hai đường thẳng nằm ngang nIM = 155 vg / ph ' và nIM = 120 vg / ph và đường đồng độ mở lớn nhất a0max = 31mm, (thể hiện trên hình 8.10). Điều đó chứng tỏ các thông số D1 và đã chọn trên là hợp lí (bao gồm vùng hiệu suất cao). Hình 7.6: Đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin ΠЛ15/510 - B 4. Xác định chiều cao hút Hs ' 3 ' Với trị số QtItt = 2,03 m / s và nItt = 150 vg / ph tra ở hình (7.6) dược hệ số khí thực σM = 1,03; còn độ hiệu chỉnh khí thực Δσ tra ở hình (7.4) được 0,08, vậy chiều cao hút cho phép bằng: 160 H =10,0 − −()1,0 + 0,08 10 = − 1,18m , lấy Hs = -1,2, và s 900 b 0,4.9 HH' = +0 = −,120 + = 0,6 (m) s s 2 2 5. Xác định cao trình lắp máy ∇lm ∇lm =H + ∇ lm =0,6 + 150 = 150,6m 6. Số vòng quay lồng và lực dọc trục
' Theo bảng (7.1) tra được số vòng quay lồng quy dẫn nIl = 365 vg/ph (khi mất liên ' hệ liên hợp) và nIl = 395 (khi còn liên hệ liên hợp). Như vậy số vòng quay lồng ính cho trường hợp đầu bằng: 365 13 n = = 146vg / ph , và cho trường hợp sau: l 9 395 13 n = = 158vg / ph l 9 Lực dọc trục tacs dụng vào ổ chặn của tổ máy. Trọng lượng BXCT tra ở hình (7.7) được Gb = 300T; trọng lượng rôto máy phát điện bằng 0,5Gmpđ (Gmpd- trọng lượng máy phát điện tra ở hình (8.2) được 1000T nên trọng lượng rôto máy phát điện lấy bằng 0,5 trọng lượng máy phát; vậy Gr = 500T; trọng lượng trục tuabin lấy bằng 0,2Gb; Gt = 0,2.300 = 60T; - Trọng lượng phần quay của tổ máy bằng: G = 1,1(300 + 60 + 500) = 946T 2 - Áp lực nước dọc trục Pn: Pn = kD1 Hmax , trong đó hệ số k tra ở bảng 7.1, k = 0,667, nên: Pn = 0,667.92.13 = 770T. Lực dọc trục tác dụng lênổ trục chặn của tổ máy: Pz = Pn + G = 770 + 1,1(300 + 60 + 500) = 1715T Hình 7.7: Trọng lượng BXCT tuabin a) Tâm trục; b) Cánh quay; 1. Khi số cánh Z1 = 7; 2. Khi Z1 = 6; 3. Z1 = 4
7.7. Câu hỏi chương 7: 1. Khái niệm về nhãn hiệu và phạm vi sử dụng cột nước của các loại tuabin thường dùng? 2. Trình bày các bước chọn và xác định các thông số cơ bản của tuabin theo đường đặc tính tổng hợp chính?
CHƯƠNG 8: ĐIỀU CHỈNH TURBIN NƯỚC 8.1. Nhiệm vụ cơ bản của điều chỉnh tuabin Đối với các TTĐ bộ điều tốc (hệ thống điều chỉnh turbin) làm những nhiệm vụ sau: - Giữ số vòng quay của tổ máy không thay đổi trong phạm vi thay đổi phụ tải của máy phát. - Phân bố phụ tải của các tổ máy làm việc song song. - Thực hiện quá trình mở và tắt máy trong điều kiện bình thường và trong điều kiện có sự cố. Trong qua trình làm việc của TTĐ, nhu cầu điện năng (phụ tải của các máy phát điện) luôn luôn thay đổi trong phạm vi rất rộng. Nếu không có biện pháp chuyên môn để điều chỉnh công suất do các động cơ turbin phát ra cho lưới điện thì sẽ xảy ra sự thay đổi tần số điện quá giới hạn cho phép. Quy trình kỹ thuật vận hành điẹn hiện nay quy định tần số dòng điện không đổi, độ sai lệch tạm thời của tần số dòng điện xuay chiều với giá trị định mức (50Hez) không quá ±0,2%. Tần số hoặc số chu kỳ biến thiên dòng điện xuay chiều trong một giây pụ thuộc tốc độ quay hoặc số vòng quay của phần quay (rôto) của máy phát. p. n f = 60 trong đó: f - tần số (Hez); p - số đôi cực từ của máy phát; n - số vòng quay của rôto MPĐ trong một phút (vg/ph). Do đó, đối với mỗi loại kết cấu máy phát nhất định (p = const) thì tần số tuỳ thuộc tốc độ quay của rôto máy phát điện, mặt khác theo cơ học, phương trình cơ bản đặc trưng sự cuyển động của rôto tổ máy cs dạng: dω J = MM- (8.1) dt đ c trong đó: J - mômen quán tính rôto tổ máy thủy lực; ω - tốc độ góc rôto tổ máy; Mđ - Mômen lực chuyển động rôto tổ máy; Mc - Mômen cản chuyển động rôto tổ máy. t - thời gian. Từ phương trình (8.1) ta thấy muốn giữ cho tốc độ góc là không đổi (ω = const) tức dω là: = 0, thì cần duy trì sự cân bằng giữa mmômen lực chuyển động và mômen lực dt cản chuyển động, tức là:
Mđ = Mc Mômen cản phụ thuộc phụ tải máy phát điện Nmp, còn mômen chuyển động Mđ quyết định bởi công suất của turbin NT, giữa chúng có mối quan hệ như sau: N γQH M = T = η (8.2) ® ω ω Từ phương trình (8.2) ta thấy, sự cân bằng giữa Mđ và Mc chỉ có thể thực hiện được khi công suất máy phát Nmp luôn bằng công suất của turbin ở mọi thời điểm, tức NT = Nmp. Nếu phụ tải máy phát điện thay đổi, mà công suất turbin vẫn không đổi thì dẫn đến sự thay đổi tốc độ quay của tổ máy. Khi công suất turbin có dư, thì tốc độ dω quay tăng lên ( >0 ), còn nếu công suất turbin không đủ thì tốc độ quay giảm dt dω xuống ( <0 ). dt Từ phương trình (8.2) ta thấy, có thể thay đổi mômen lực chuyển động (hoặc công suất turbin) bằng cách thay đổi lưu lượng Q, cột nước H và hiệu suất η của turbin. Sự thay đổi cột nước H và hiệu suất turbin η về mặt kỹ thuật cũng như kinh tế rất khó thực hiện và không hợp lý. Thông thường, ta hay dùng cách điều chỉnh lưu lượng vào turbin để thay đổi NT. Đối với turbin tâm trục và turbin cánh quạt, ta quay cánh hướng nước để điều chỉnh Q còn đối với turbin cánh quay ta quay cả cánh hướng nước lẫn cánh turbin một cách nhịp nhàng, còn đối với turbin gáo thì dịch chuyển kim phun trong vòi phun. Đối với các turbin cỡ vừa và lớn, thường dùng các cơ cấu phụ trợ- động cơ tiếp lực (ĐCTL) để làm các cơ cấu điều chỉnh (cơ cấu hướng nước của turbin). Các ĐCTL này chịu sự điều khiển của máy điều tốc (MĐT). 8.2. Cấu tạo và đặc điểm của hệ thống điều chỉnh turbin nước Turbin, mà trong đó có xảy ra một quá trìnhđiều chỉnh nào đó được gọi là đối tượng điều chỉnh. đại lượng cần giữ ở một mức độ cho trước hoặc thay đổi theo một chương trình cho trước thì được gọi là thông số điều chỉnh. Hệ thống điều chỉnh tốc độ của turbin (gọi tắt là hệ thống điều tốc) là tổng hợp các cơ cấu và thiết bị, các cơ cấu và thiết bị đó có nhiệm vụ cảm ứng sự thay đổi tốc độ quay của tổ máy và thay đổi vị trí tương ứng của cơ cấu điều chỉnh. Hệ thống điều tốc của turbin gồm các cơ cấu cơ bản sau đây; 1. Cơ cấu cảm ứng (CCCƯ) hoặc chỉ huy cảm giác độ sai lệch tốc độ quay của tổ máy và thay đổi vị trí cơ cấu điều chỉnh. 2. Cơ cấu điều chỉnh (CCĐC) là bộ phận trực tiếp thay đổi mômen lực chuyển động của turbin. 3. Cơ cấu chấp hành (khuyếch đại), thực hiện sự liên hệ cần thiết giữa cơ cấu cảm ứng và cơ cấu điều chỉnh chuyển dời CCĐC đến vị trí tương ứng với tín hiệu của
CCCƯ. Cơ cấu thuộc loại này có động cơ tiếp lực và ngăn kéo phân phối điều khiển nó. 4. Cơ cấu ổn định, tác dụng của nó là làm tăng tính ổn định và chất lượng quá trình điều chỉnh (cơ cấu cân bằng ) 5. Cơ cấu phụ trợ: làm ác động tác phụ như thay đổi chỉnh định máy điều tốc, hạn chế độ mở v.v Sự điều chỉnh turbin nước cũng Con l¾c Ng¨n kÐo có nhiều điểm khác so với sự điều chỉnh các loại động cơ khác. Một trong những đặc điểm đó là có Phô t¶i lượng nước khá lớn chảy qua cơ §T BHX cấu điều chỉnh (lưu lượng các turbin lớn đến hàng mấy trăm m3/s) nên kích thước của cơ cấu điều cc®c ®ctl chỉnh phải lớn. Ngoài ra, do quán tính của dòng nước nên khi CCĐC Hình 8.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều chỉnh chuyển động nhanh, thì trong cả hệ turbin thống đường dẫn của turbin có hiện tượng nước va làm thay đổi áp lực (cột nước). Đó là sự khác biệt cơ bản. CCĐC, turbin đòi hỏi cần có lực chuyển dời lớn. Để điều khiển cơ cấu hướng nước của các turbin cỡ lớn, cần có lực hàng trăm tấn, còn để quay cánh turbin thì phải mấy trăm ngàn tấn. Vì vầy giữa cơ cấu cảm ứng (có độ nhạy cao nhưng năng lượng bé) và cơ cấu điều chỉnh cần có thêm nhiều bộ khuyếch đại thủy lực. Đối với các turbi cánh quay, turbin gáo phải tiến hành điều chỉnh kép, phải đồng thời điều khiển hai cơ cấu điều chỉnh, điều này sẽ làm cho hệ thống điều chỉnh thêm phức tạp. 8.3. Các sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ turbin Theo nguyên lý tác dụng, chia ra hai loại máy điều tốc: máy điều tốc tác động trực tiếp và máy điều tốc tác động gián tiếp. 8.3.1. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động trực tiếp. Sơ đồ nguyen lý máy điều tốc tác động trực tiếp cho ở hình (8.2)
Cấu tạo của MĐT loại này gồm có: con lắc ly tâm 4, tay đòn HZS và vn điều tiết lưu lượng 3, con lắc ly tâm 4 quay được nhờ động cơ điện 2 có liên hệ bằng cơ hay điện với trục turbin.Đầu bên trái của tay đòn HZS được nối với con lắc nhờ hộp trục H còn bên phải nó được nối với van điều tiết 3 tại điểm S. Khi cắt phụ tải, vì độ mở ao của Hình 8.2: Sơ đồ nguyen lý MĐT các cánh hướng nước chưa thay tác động trực tiếp đổi nên số vòng quay của turbin cũng như số vòng quay của quả lắc li tâm tăng lên, quả lắc văng ra xa, kéo hộp trục H lên trên, lú đó tay đòn HZS sẽ quay quanh điểm tựa Z theo chiều kim đồng hồ và đẩy van 3 xuống thấp để giảm bớt lưu lượng Q qua turbin, đảm bảo cho công suất turbin bằng công suất máy phát điện. Khi tăng tải thì quá trình này cũng xảy ra như thế, nhưng chiều chuyển động của các bộ phận trên ngược lại. Đường nét đứt trên hình (8.2) tương đương với vị trí tay đòn HZS ở cuối thời điểm điều chỉnh. Từ hình vẽ này ta thấy máy điều tốc tác động trực tiếp có cấu tạo rất đơn giản. Nhưng khuyết điểm cơ bản của nó là sai số về số vòng quay turbin khá lớn, khi phụ tải tăng từ 0 đến phụ tải toàn phần. Đồng thời lực để đóng mở các bộ phận điều chỉnh do quả lắc tạo ra rất nhỏ không đủ để đóng mở các bộ phận điều chỉnh của turbin cỡ lớn. Bởi những lẽ đó nên hầu hết các máy điều tốc hiện đại đều được thiết kế theo sơ đồ nguyên lí tác động gián tiếp. 8.3.2. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp. Theo sơ đồ này thì quả lắc ly tâm không trực tiếp tác động vào bộ phận điều chỉnh mà giữa quả lắc và bộ phận điều chỉnh được lắp thêm một động cơ đặc biệt gọi là động cơ tiếp lực (viết tắt là ĐCTL) cùng với van phân phối (hoặc van trượt). Điều đó cho phép dùng con lắc có trọng lượng nhỏ mà độ nhạy khá cao để chuyển dời kim trượt lắp trong van trượt đó. Theo nguyên lí làm việc của bộ phận ổn định, máy điều tốc được chia ra mấy kiểu sau: 1. Máy điều tốc tác động gián tiếp không có bộ phận liên hệ ngược (phản hồi ngược). Sơ đồ nguyên lí của máy điều tốc loại này cho ở hình (8.3). Theo sơ đồ này con lắc được liên hệ với van trượt 4 qua tay đòn 2. Chất lỏng có áp (dầu có áp) được dẫn vào van trượt 4, van này có tác dụng phân phối dầu vào các ngăn của ĐCTL.
Lực tác động của động cơ tiếp lực phụ thuộc kích thước và áp suất của dầu áp lực. Cấu tạo ĐCTL gồm một pittông chuyển động trong một xilanh và pittông này được nối với vành điều chỉnh của bộ phận hướng dòng qua thanh kéo đẩy. Van trượt được thông với 2 ngăn của ĐCTL nhờ 2 ống dầu đặt ở 2 đầu của xilanh. Cấu tạo van trượt gồm có vỏ hình trụ và một chiếc kim trượt trong đó. Trên thành vỏ có khoét 5 lỗ nhỏ (cửa sổ); cửa sổ ở giữa được thông với dầu có áp lấy từ thiết bị dầu có áp tới van trượt qua cửa này: 2 cửa almf việc (ở vị trí cân bằng thì 2 cửa Hình 8.3: Sơ đồ máy điều tốc tác động sổ này sẽ bị khép kín bởi phần lồi trên và gián tiếp, không có bộ phận phản hồi dưới của kim) thông với ngăn tương ứng của ĐCTL qua 2 ống dẫn dầu, 2 cửa xả dầu trên và dưới cùng thông với thùng dầu xả. Như vậy, khi chuyển dời khỏi vị trí cân bằng thì dầu có áp sẽ từ cửa sổ giữa đi vào một ngăn nào đó của động cơ tiếp lực, còn dầu có áp trong ngăn khác của ĐCTL sẽ theo cửa sổ làm việc và lỗ xả trở về thùng dầu xả, hai phía của ĐCTL có độ chênh áp lực làm chuyển động bộ phận điều chỉnh turbin. Qua trình điều chỉnh tốc độ quay của turbin theo sơ đồ này sẽ không ổn định, bởi vì pittông của ĐCTL không thể đứng im ở một vị trí cân bằng nào cả (do kim van trượt đã không kịp trở về vị trí ban đầu). Hiện tượng dao động độ mở cánh hướng, công suất, cúng bắt nguồn từ đây. Để khắc phục khuyết điểm trên ta sử dụng sơ đồ điều chỉnh khác. 2. Máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phản hồi cứng. Trong sơ đồ này, ngoài bộ phận ĐCTL và van trượt kể trên còn có thêm bộ phận phản hồi kiểu đòn bẩy HZS, nó có tác dụng đưa kim trượt kịp thời trở về vị trí trung gian. Từ sơ đồ nguyên lí cho ở hình (8.4) ta thấy, lúc đầu tay đòn ở vị trí 1 và sua khi pittông ĐCTL chuển động về phía đóng bộ phận điều chỉnh thì hệ thống phản hồi cứng kiểu đòn sẽ đẩy điểm Z cùng điểm S (nối với kim van) lên trên (ở vị trí 2), kết quả là kim trượt sẽ trở về vị trí trung gian. Khác với sơ đồ không có phản hồi, ở đây khi quá trình điều chỉnh kết thúc, động cơ tiếp lực sẽ đứng im tại vị trí cân bằng mới và số vòng quay của turbin cũng sẽ ổn định ở vị trí mới tương ứng với vị trí mới của hộp trục H. Hình (8.4) vẽ cho trương hợp giảm phụ tải của máy phát điện. Ngược lại trường hợp phụ tải của máy phát tăng lên, hai quả lắc xếp lại, kim trượt bị đẩy lên trên và dầu có áp sẽ đi vào ngăn bên trái của ĐCTL, còn ngăn phải của nó thông với ống dầu xả làm cho pittông ĐCTL chuiyển dịch sang bên phải để mở to bộ phận điều chỉnh. Như vậy bộ phận phản hồi cứng đưa kim van trở về vị trí trung gian. Qua trình điều chỉnh
kết thúc thì số vòng quay của turbin sẽ nhỏ hơn số vòng quay ban đầu vì điểm H thấp hơn vị trí ban đầu. Hình 8.5: Sơ đồ nguyên lí máy điều tốc tác Hình 8.4: Sơ đồ nguyên lí máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phản hồi mềm động gián tiếp có bộ phận phản hồi cứng 3. Máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phản hồi mềm. Trong sơ đồ máy điều tốc loại này, điểm Z của đòn HZS được nối với pittông của động cơ tiếp lực qua một bộ phận dặc biệt gọi là bộ hoãn xung, nhờ đó mà điểm H có thể trở về vị trí ban đầu và đứng im ở vị trí đó trong suốt cả thời gian làm việc ổn định của turbin. Trong bộ phận phản hồi mềm điểm Z của đòn 2 (hình 8.5) liên hệ với lò xo 3 và điểm Z sẽ ở vị trí ban đầu nếu lò xo này ở trạng thái tự do. Bộ hoãn xung gồm một ống xilanh (có chứa đầy dấu) và pittông, trên pittông này có khoét một lỗ nhỏ để khi pittông của bộ hoãn xung trở về vị trí trung gian thì dầu có thể chảy chậm từ một ngăn này vào ngăn khác của xilanh qua lỗ nhỏ đó. Ta nghiên cứu cách chuyển vận của bộ hoãn xung. Trong trường hợp cắt phụ tải, số vòng quay tăng và động cơ tiếp lực chuyển động về phía đóng bộ phận đièu chỉnh. Lúc đầu vì dầu chưa kịp chảy từ ngăn dưới lên ngăn trên của xilanh của bộ hoãn xung, do tác dụng tiết lưu lên cả pittông và xilanh cùng điểm Z đầu dịch lên trên để kịp thời đưa kim trượt (điểm S) trở về vị trí ban đầu, và lò xo bị nén lại. Cho đến thời điểm này thì quá trình điều chỉnh giống như sơ đồ máy điều tốc tác động gián tiếp với bộ phận phản hồi cứng. Sau đó, do tác dụng đàn hồi của lò xo 3, lò xo dãn ra và đẩy điểm Z xuống dưới, đòn 2 quay quanh điểm H theo chiều kim đồng hồ và pittông của động cơ tiếp lực lại tiếp tục chuyển động về phía đóng. Số vòng quay liên tục giảm dần cho đến khi điểm H trở về vị trí ban đầu thì quá trình điều chỉnh kết thúc. Số vòng quay sau cùng sẽ bằng số vòng quay ban đầu. Đó là đặc điểm chính của loại máy điều tốc này. Thời gian cần để cho điểm Z chuyển động (dưới tác dụng của lực lò xo) nhanh hay chem. Phụ thuộc vào sức cản thủy lực ở lỗ tiết lưu cũng tức là phụ thuộc vào độ mở của lỗ tiết lưu trong bình hoãn xung.
8.4. Sự làm việc song song của các turbin. Trên đây ta xét quá trình điều chỉnh turbin cho các tổ máy nhỏ làm việc trong lưới điện độc lập. Nhờ có các máy điều tốc kể trên mà có thể giữ cho số vòng quay của turbin không thay đổi, hoặc thay đổi trong phạm vi cho phép. Tuy nhiên hiện nay phần lớn các tổ máy (thủy điện, nhiệt điện v.v ) đều làm việc song song trong một hệ thống lưới điện chung. Sự làm việc sông song của turbin đòi hỏi phù hợp với dòng điện quy định, khi thay đổi độ mở của bộ phận điều chínhẽ không làm thay đổi số vòng quay của nó mà chỉ phân bố lại công suất giữa các tổ máy. Mỗi một máy điều tốc đều có đường đặc tính điều chỉnh, đó là sự liên hệ giữa số vòng quay của turbin với phụ tảI của nó: n = f(N). Đối với máy điều tốc phản hồi mềm thì đường đặc tính điều chỉnh của nó là đường thẳng nằm ngang AB (hình 8.6a). Còn đối với loại máy điều tốc phản hồi cứng thì đường đặc tính hiệu chỉnh của nó là một đường nghiêng AB'' . Loại máy này tốc độ quay của nó trước và sau khi điều chỉnh kết thúc không bằng nhau, ta nói nó không có độ đồng đều nhất định. Độ không đồng đều của máy điều tốc là tỷ số giữa hiệu số của số vòng quay không tải n và số vòng quay toàn tải n , với max min Hình 8.6: Đường đặc tính điều chỉnh số vòng quay đồng bộ no: của máy điều tốc n− n n− n δ = max min = 2 max min (8.3) n0 nmax + nmin Độ không đồng đều δ cho phép của các máy điều tốc hiện nay khoảng (2 ÷ 6)%. Để đơn giản ta nghiên cứu sự làm việc song song của hai tổ máy có độ không đồng đều δ như nhau, và giả thiết hai tổ máy này được lắp với các turbin cùng kiểu. Lúc đầu hai tổ máy đảm nhận công suet NI của biểu đồ phụ tải : NI = N1 + N2 (8.4) Số vòng quay đồng bộ ứng với đường O1- O1. Sau đó phụ tảI của hệ thống tăng đến trị số NII. NII = (N1 + ΔN1) + (N2 + ΔN2) (8.5) Vì δ của hai tổ máy này như nhau nên ΔN1 = ΔN2, điều đó có nghĩa là nếu các tổ máy có δ như nhau và vận hành song song trong lưới điện chung thì phụ tảI sẽ được phân phối đều cho các tổ máy.
Đồng thời lúc này số vòng quay của hai tổ máy sẽ giảm xuống theo đường O2 - O2 (hình 8.7). Nếu hai tổ máy làm việc song song với độ không đồng đều khác nhau (δ1 ≠ δ2) (hình 8.8): a1a1 và a2a2 thì phần phụ tảI phải đảm nhiệm thêm ΔN1 (tổ máy 1) và ΔN2 (tổ máy 2) sẽ khác nhau. Ta hãy xác định công thức tính ΔN1 Hình 8.7: Đường đặc tính điều chỉnh có độ và ΔN2 đó của các tổ máy. không đồng đều như nhau Khi tăng tải, số vòng quay của 2 tổ máy sẽ giảm đi một giá trị bằng Δn ứng với đường O2- O2. Ta chỉ cần tính ΔN1 của tổ máy thứ nhất rồi suy ra cho tổ máy thứ hai hoặc tổ máy bất kỳ ΔNx. Hình 8.8: Đường đặc tính làm việc song song Của hai tổ máy với độ không đồng đều khác nhau Vì 2 tam giác: ABC và AB'''C đòng dạng nên: AC'' Ac = (8.6) C ''B CB '' '' Trong đó: CBN= Δ 1 ; AC= Δ n AC = nmax - nmin; CB = N1max Thế các đại lượng này vào phương trình (8.6) ta có: Δn n− n = max min ΔN1 N1 max Trong đó: N1max là công suất lớn nhất của tổ máy 1. Mặt khác theo công thức (8.6) thì nmax - nmin = δ1n0 (n0 - số vòng quay định mức) nên:
Δn Δn ΔN1 = N1 max ; ΔN2 = N2 max δ1n 0 δ 2n 0 Một cách tổng quát ta có thể suy ra ΔNK cho tổ máy K bất kỳ làm việc song song: Δn ΔNK = NK max (8.7) δ K n0 Muốn bảo đảm cho số vòng quay của hai tổ máy trở về vị trí định mức (ứng với đường O1- O1: Δn = 0) ta phải tịnh tiến đường đặc tính điều chỉnh của cả hai tổ máy lên trên sao cho, đường đặc tính điều chỉnh của tổ máy số 1 sẽ là đường b1- b1 thay cho a1- a1 và của tổ máy 2 sẽ là đường b2- b2 thay cho đường a2- a2. Khi phụ tải của hệ thống điện lực giảm thì ta phải tịnh tiến đường đặc tính điều chỉnh xuống dưới. Vậy bộ phận của máy điều tốc có thể thay đổi độ nghiêng (tức δ) hoặc tịnh tiến đường đặc tính điều chỉnh ta sẽ nghiên cứu ở phần sau. Qua sự phân tích trên ta thấy, nếu đặc tính điều chỉnh của các tổ mắy (ở đây là 2 tổ máy) không phải là đường nằm nghiêng mà là đường nằm ngang (máy điều tốc có bộ phận phản hồi mềm) thì sự phân phối phụ tải giữa các tổ máy làm việc song song sẽ không ổn định. Bởi vị khi δ1 = δ2 = δk = 0, theo công Hình 8.9: Đường đặc tính của hai tổ máy thức (8.7) thì ΔNK là đại lượng vô định, điều đó có nghĩa là phụ tải của mỗi tổ làm việc song song (trong đó tổ máy 1 làm máy đảm nhiệm không phải là một giá nhiệm vụ điều tần) trị xác định mà luôn luôn thay đổi. Trong thực tế vận hành, người ta thừng điều chỉnh đường đặc tính điều chỉnh của một tổ máy nào đó có độ không đồng đều δ = 0, còn tổ máy thứ 2 có độ dốc (δ ≠ 0) sẽ làm việc với phụ tải nhất định. Như vậy phần dao động phụ tải của hệ thống điện lực: ΔN = ΔN1 + ΔN2 + + ΔNK đều dotor máy thứ nhất (có δ = 0) đảm nhiệm (hình 8.9) còn tổ máy thứ hai sẽ làm việc với phụ tải không đổi bằng công suất định mức của nó. Tất nhiên số vòng quay của hai tổ máysẽ không đổi. Trong quá trình vận hành muốn cho một hay một vài tổ máy làm việc với công suất không đổi thì ta điều chỉnh để đường đặc tính điều chỉnh có độ dốc tương đối lớn, còn đối với nhứng tổ máy được dùng để nhận (điều chỉnh) phụ tải dao động của lưới điện thì điều chỉnh đường đặc tính có độ nghiêng nhỏ δ = 0. Xét về mặt phụ tải, ta nói tổ máy sau làm việc ở phần gốc của biểu đồ phụ tải, còn các tổ máy đầu làm việc ở phần ngọn của biểu đồ phụ tải. Xét về ý nghĩa bảo đảm tần số cả lưới điện không đổi, ta nói turbin thứ nhất (hoặc TTĐ) là turbin (hoặc TTĐ) chủ đạo hay turbin điều tần. Trạm thủy điện làm nhiệm vụ điều tần phải là trạm thủy điện có dung tích hồ chứa đủ lớn, đồng thời đảm nhân phụ tải ngọn.
8.5. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc phản hồi mềm có độ không đều còn dư Qua phân tích điều kiện làm việc song song của các tổ máy ta thấy, muốn phân phối phụ tải được ổn định cho các tổ máy thì đường đặc tính điều chỉnh của máy điều tốc phải là đường nghiêng tức là có độ không đồng đều δ nhất định. Sơ đồ điều chỉnh cho ở hình (8.10) sẽ thoả mãn yêu cầu này. Ở sơ đồ này (8.10a) điểm cuối (điểm F) của lò xo bộ hoãn xung được Hình 8.10a: Sơ đồ điều chỉnh quân bằng có liên hệ với pittông của động cơ tiếp độ không đồng đều còn dư lực qua đòn EFD, do đó điểm F sẽ chuyển động lên hay xuống theo phương thẳng đứng với chuyển vị tỉ lệ với hành trình pittông động cơ tiếp lực. Như vậy, khi lò xo ở trạng thái tự do (cũng là lúc tổ máy ở trạng thái cân bằng) thì điểm Z và H sẽ nằm ở vị trí khác nhau tuỳ theo trị số phụ tải N mà nó phải đảm nhận. Nếu dời điểm D cho trùng với điểm F thì đầu tiên lò xo bộ hoãn xung vẫn đứng im ở vị trí ban đầu mà không phụ thuộc hành trình của ĐCTL. Về thực chất sơ đồ này đã biến thành sơ đồ máy điều tốc có bộ phận phản hồi mềm. Như vậy, nếu xê dịch điểm D dọc theo đòn ED sẽ làm thay đổi độ nghiêng của đường đặc tính điều chỉnh còn xe dịch điểm D lên cao hay xuống thấp tương đương với tịnh tiến đường đặc tính điều chỉnh. Độ không đồng đều của máy điều tốc có thể thay đổi trong phạm vi từ 0 ÷ 6% tuỳ theo yêu cầu làm việc cụ thể của tổ máy (làm việc độc lập hay song song).
Cũng cần chú ý, về nguyên tắc có thể sử dụng máy điều tốc gián tiếp có bộ phận phản hồi cứng cho các tổ máy làm việc song song. Tuy vậy do độ không đồng đều của loại máy này lớn (δmax = 10 ÷ 12%) nên trong thực tế không thể sử dụng được. Hình (8.10b) là sơ đồ nguyên lý máy điều tốc bao gồm các bộ phận điều khiển và bộ phận điều chỉnh. Các bộ phận điều khiển của máy điều tốc: Ta hãy nghiên cứu sơ đồ chuyển vận các cấu kiện của hệ thống điều chỉnh dùng máy điều tốc loại P (hình 8.10b). Trong máy điều tốc loại này, con lắc li tâm gồm băng thép hình thoi và một quả văng treo trong băng đó. Một động cơ điện 5 (có liên hệ bằng điện với máy phátđiện đồng bộ của tổ máy) làm quay con lắc 6. Hình 8.10b: Máy điều tốc quân bằng có độ không đồng đều còn dư Đầu dưới của băng bắt chặt vào một đầu hộp trục của ngăn kéo phụ dầu có áp lấy từ TĐA được dẫn đến ngăn kéo này qua ống dầu phía trên. Ngăn kéo phụ liên lạc với động cơ tiếp lực 17 qua ngăn kéo chính 18 bằng một ống dầu 4. Thân ngăn kéo chính là một pittông kiểu vi sai sao cho đường kính vành gờ trên lớn hơn vành gờ dưới. Khi dầu có áp được dẫn vào ngăn giữa của ngăn kéo chính thì chịu tác dụng của một lực đẩy theo hướng lên trên. Ở vị trí trung gian vì ngăn A vẫn bị đóng kín, nên thân ngăn kéo chính bị giữ lại bởi pittông ĐCTL phụ 18. Khi hộp trục 7 dịch lên trên, (khi tăng tốc), thì ngăn A thông với lỗ dầu xả của ống dầu 4 và llõ lên hộp trục 7, nên thân ngăn kéo chính bị dịch lên trên, dầu có áp chảy vào ngăn trái của ĐCTL còn ngăn phải của nó thông với lỗ dầu xả, pittông ĐCTL dịch theo chiều đóng. Khi giảm tốc, (trường hợp tăng tải), hộp trục 7 dịch xuống và ngăn ãe thông với dầu có áp qua ống 4 và lỗ tương ứng của ngăn kéo phụ. Đường kính pittông ĐCTL 17 và vành gờ của thân ngăn kéo 18 được chọn sao cho tổng diện tích mặt trên littông ĐCTL phụ 17 và bề mặt trên của vành gờ phía dưới của thân ngăn kéo chính lớn hơn bề mặt dưới của vành gờ trên. Vì vậy, khi ngăn A thông với dầu áp lực thì pittông ĐCTL phụ 17 và thân ngăn kéo 18 sẽ dịch chuyển xuống dưới chuyển dầu có áp vào ngăn phải của xilanh ĐCTL 1 (về phía mở). Bộ phận phản hồi của máy điều tốc: Gồm một bộ truyền động kiểu đòn bẩy, trục ngắt 3 và cơ cấu quân bằng 16.
Độ không đồng đều của máy điều tốc được điều chỉnh nhờ thanh kéo 15 nối với trục ngắt 3, còn đầu trên được liên kết với tay đòn 13. Khi pittông ĐCTL 1 nằm ở các vị trí khác nhau (tức là với các giá trị phụ tải khác nhau, từ 0 đến đầy tải) thì đầu bên phải của tay đòn 10 cũng sẽ nằm ở vị trí khác nhau tương ứng với trị số phụ tải cho trước, tay đòn 9 và thân ngăn kéo phụ 8 cũng sẽ nằm ở vị trí tương ứng. Nhờ đó sẽ có được một độ không đồng đều điều chỉnh cần thiết cho sự ổn định khi tổ máy làm việc song song. Có thể tuỳ ý điều chỉnh độ không đồng đều trong phạm vi từ 0 ÷ 10% qua một vít 14 chuyển dịch điểm tựa của tay đòn 13. Ta hãy khảo sát sự chuyển vận các cơ cấu của hệ thống điều chỉnh khi cắt giảm một phần phụ tải của tổ máy. Trong trương hợp này, tốc độ quay trục tổ máy (cũng tức là tốc độ quay của con lắc li tâm) sẽ tăng lên. Dưới tác dụng của lực li tâm quả văng sẽ văng ra xa, kéo hộp trục 7 lên trên, kim trượt (thân của ngăn kéo phụ 8 nằm trong hộp trục 7) và nối liên với tay đòn 9 lúc này vấn đứng yên. Ngăn A của ĐCTL phụ 17 thông với lỗ xả, thân ngăn kéo chính 18 sẽ dịch lên trên chuyển dầu vào động cơ tiếp lực 1 về phía đóng ĐCTL sẽ dừng lại ở một vị trí mới khi ngăn kéo chính 18, phụ 8 và hộp trục 7 trở về vị trí trung gian (tương ứng với một trị số công suất mới của tổ máy). Nhờ có hệ thống truỳen đồng đòn bẩy 2 và bộ phận quân bằng 16 có liên kết động học với cần pittông ĐCTL 1. Khi pittông ĐCTL dịch chuyển sang bên phải (đóng) thì trục ngắt 3 quay theo chiều kim đồng hồ đẩy xilanh pittông và cần của bộ quân bằng (một đầu cần nối với pittông bộ quân bằng và một đầu khác nối với tay đòn 10 ở điểm M). Tay đòn 10 quay quanh điểm P theo chiều kim đồng hồ và đẩy điểm B của tay đòn 9 lên trên. Tay đòn 9 quay quanh khớp bên phải và dịch thân ngăn kéo 8 lên trên, dầu áp lực được chuyển vào ngăn A qua ống dầu 4. Lúc đó pittông ĐCTL phụ 17 và thân ngăn kéo 18 bắt đầu dịch về vị trí chính giữa ĐCTL và cánh hướng sẽ dừng lại. Quá trình điều chỉnh sẽ kết thúc. Tại thời điểm mà quá trình phản hồi đã kết thúc, thì tốc độ quay của rôto tổ máy sẽ hơi lớn hơn tốc độ định mức. Khi xi lanh và pittông của bộ quân bằng dịch chuyển lên trên thì lò xo của nó sẽ bị nén chặt lại một ít. Dưới tác dụng của lực đàn hồi lò xo, đầu trái của tay đòn 10 và 9 sẽ chuyển dịch từ từ (do tác dụng của bộ quân bằng) xuống dưới và đẩy thân ngăn kéo phụ 8 xuống dưới. Lúc này ống dầu 4 và ngăn A của ĐCTL phụ 17 sẽ thông với lỗ xả dầu, thân ngăn kéo 18 sẽ dịch lên trên, còn pittông ĐCTL 1 và cánh hướng sẽ dịch về phía đóng. Tốc độ quay của tổ máy sẽ giảm dần tới trị số định mức (tốc độ ban đầu). Quá trình điều chỉnh sẽ kết thúc khi toàn bộ hệ thống đạt tới trạng thái cân bằng, cũng là lúc hộp trục 7 ngăn kéo 8 và 18, lò xo của bộ quân bằng 16 nằm ở vị trí chính giữa. Khi tăng tải, thì toàn bộ quá trình điều chỉnh cũng sẽ diễn ra theo một thứ tự như trên, có điều là sự chuyển dịch của các cơ cấu của máy điều tốc theo chiều ngược lại. Tốc độ quay của turbin được thay đổi nhờ xê dịch điểm P của tay đòn 10. Muốn thay đổi tốc độ, ta làm quay thanh 12 bằng hộp giảm tốc 11, khi vặn trục vít thì ê cu sẽ dịch chuyển lên hoặc xuống mà đẩy điểm P của tay đòn 10 theo chiều tương ứng. Trong sơ đồ này sự điều chỉnh bằng tay được thực hiện nhờ cơ cấu hạn chế độ mở (không vẽ trong hình này).
Để thoả mãn các yêu cầu vận hành còn phải lắp thêm trong máy điều tốc một số bộ phận điều khiển khác để thay đổi số vòng quay: hạn chế độ mở cánh hướng, đóng mở máy v.v Ta lần lượt timg hiểu tác dụng và cách chuyển vận của mỗi bộ phận đó (hình 8.11). 8.5.1. Bộ phận thay đổi số vòng quay. Bộ phận thay đổi số vòng quay có tác dụng điều chỉnh số vòng quay để hoà điện vào lưới cũng như để thay đổi phụ tải, khi tổ máy làm việc song song trong hệ thống điện. Bộ phận thay đổi số vòng quay được mô tả ở hình (8.11) gồm đòn abc có liên hệ về mặt cơ với van trượt và quả lắc. Số vòng quay hoặc phụ tải được thay đổi bằng cách vặn vít A, lúc đó điểm Z lẫn kim van trượt sẽ chuyển động về phía đóng bộ phận điều chỉnh của turbin (nú điểm a đi xuống), hoặc về phía mở bộ phận điều chỉnh (nếu điểm a đi lên). Sau khi điều chỉnh kết thúc thì điểm S sẽ trở về vị trí ban đầu (vị trí như hình vẽ) còn điểm H và Hình 8.11: Sơ đồ máy điều tốc có lắp cả bộ điểm Z sẽ dời chỗ tuỳ theo chuyển vị phận điều khiển của điểm a, vị trí mới của điểm H tương ứng với số vòng quay sau khi được thay đổi của quả lắc và tổ máy. Như vậy, khi làm việc độc lập, tịnh tiến đường đặc tính điều chỉnh sẽ làm thay đổi số vòng quay turbin còn khi làm việc song song, nếu tịnh tiến đường đặc tính điều chỉnh sẽ phân phối lại phụ tải giữa các tổ máy. Chẳng hạn nếu tổ máy làm việc độc lập, khi phụ tải của tổ máy N1 = 0,8Nmax (hình 8.8) ứng với điểm a trên đường AB và số '' vòng quay là n1, còn khi tịnh tiến đường đặc tính điều chỉnh xuống ở vị trí A B thì vì làm việc độc lập với phụ tải không đổi nên số vòng quay giảm đến n2 (điểm b), nếu tổ máy làm việc song song thì vì số vòng quay không đổi nên công suất giảm xuống N2 và turbin sẽ làm việc ở điểm C. 8.5.2. Bộ phận hạn chế độ mở. Bộ phận này là đòn efk ở hình vẽ (8.11). Trong vận hành đôi khi ta muốn hạn chế công suất hoặc độ mở a0 của bộ phận hướng nước không được vượt quá trị số cho phép (ví dụ khi hồ chứa thiếu nước hoặc độ mở a0 không vượt quá đường dự trữ công suất 5%) thì phải sử dụng bộ phận hạn chế độ mở. Từ hình vẽ ta thấy, lúc đầu tổ máy chạy không tải ứng với độ mở không tải akt, nếu vặn vít B sao cho điểm e cách điểm S một đoạn nhất định ứng với độ mở hạn chế aoh thì máy điều tốc không thể mở to hơn hoặc bằng độ mở hạn chế đó. Cụ thể giải thích như sau: Nếu máy điều tốc muốn ĐCTL chạy về phía phải, thì điểm e sẽ dịch chuyển
xuống dưới và tỳ lên điểm S. Kết quả là kim trượt không thể dịch lên trên (về phía mở) để mở to cánh hướng. Bộ phận hạn chế độ mở sẽ không làm cản trở việc giảm độ mở a0,vì khi pittông ĐCTL dịch chuyển sang trái thì điểm e dời xa điểm S và kim trượt chuyển động dễ dàng về phía đóng. Bộ phận này cũng được điều khiển tự động từ phòng trung tâm của TTĐ. Trong các máy điều tốc hiện nay, ngượi ta còn dùng bộ phận này để đóng máy do sự cố hoặc để mở máy và điều chỉnh bằng tay. Ngoài ra trong máy điều tốc còn có các đồng hồ để kiểm tra, theo dõi sự làm việc của hệ thống điều chỉnh đó là: đồng hồ đo số vòng quay của turbin, đo áp lực dầu, kim chỉ độ mở bộ phận điều chỉnh của turbin, kim chỉ mức dầu trong thiết bị dầu áp lực (TĐA) v.v 8.6. Các sơ đồ nguyên lý điều chỉnh kép Các sơ đồ nguyên lý điều chỉnh giới thiệu trên đây đều thuộc loại điều chỉnh đơn và được dùng để điều chỉnh turbin tâm trục và turbin cánh quạt. Các loại máy điều tốc đơn chỉ có một bộ phận điều chỉnh mà thôi, đó là bộ phận hướng dòng. Đối với các loại turbin có hai bộ phận điều chỉnh như turbin cánh quay, gáo, tâm trục cột nước cao thì phải sử dụng máy điều tốc điều chỉnh kép. 8.8.1. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh kép của turbin cánh quay. Sự điều chỉnh kép ở turbin cánh quay có tác dụng điều chỉnh số vòng quay và duy trì sự liên hệ giữa độ mở cánh hướng nước và góc quay các cánh BXCT nhằm đạt được hiệu suất cao. Sơ đồ nguyên lý của nó cho ở hình (8.12). Khi phụ tải thay đổi máy điều tốc sẽ đồng thời dịch chuỷen các bộ phận điều chỉnh độ mở BPHN và góc đặt ϕ0 của BXCT. Thí dụ trường hợp giảm phụ tải. Khi ĐCTL của bộ phận hướng dòng 9 dịch sang trái để đóng BPHN, vì pittông của ĐCTL này có liên hệ với đòn 7 nên nêm 6 của bộ phận liên hợp sẽ dịch chuyển sang bên phải đẩy ròng rọc của đòn 5 lên trên làm cho kim van trượt 4 (của BXCT) dịch xuống (mở các cửa sổ làm cho dầu có áp đi vào ngăn trên của ĐCTL 8 của BXCT) và đẩy pittông của nó đi xuống để quay cánh BXCT về phía đóng. Khi đó bộ phận liên hệ ngược (thanh 7) của ĐCTL sẽ đảm bảo sự liên hệ đơn trị giữa vị trí nêm liêm hợp và độ quay các cánh BXCT. Trong các máy điều tốc hiện nay thường dùng cơ cấu cam thay cho nêm liên hợp. Khi tăng phụ tải thì sự dịch chuyển của các cơ cấu điều chỉnh sẽ có hướng ngược lại.