Giáo trình Thủy điện 2

1 LỜI NÓI ĐẦU Để đáp ứng nhu cầu học tập Thuỷ điện của sinh viên khoa Xây dựng Thuỷ lợi - Thuỷ điện thuộc Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng trong giai đoạn mới, chúng tôi biên soạn giáo trình "Turbine thuỷ lực - các thiết bị thuỷ lực và Công trình trạm Thuỷ điện" (là giáo trình môn học Thuỷ điện 2). Giáo trình này được biên soạn theo nội dung "Đề cương môn học Thuỷ điện" đã được nhà trường phê duyệt năm 2005. Giáo trình Thuỷ điện 2 gồm 17 chương, được trình bày trong hai phần lớn: phần I (thiết bị thuỷ điện) và phần II (công trình Thuỷ điện): Phần I - "Turbine thuỷ lực - các thiết bị thuỷ lực" của trạm thuỷ điện, gồm 8 chương (từ chương I đến chương VIII). Phần này dùng để giảng với 20 tiết trên lớp, nội dung tìm hiểu: turbine thuỷ lực, thiết bị điều tốc, các thiết bị phụ và các hệ thống thiết bị phụ thuỷ lực ... về cấu tạo, tính năng hoạt động cũng như lựa chọn, tính toán xác định các thông số cơ bản và kích thước của thiết bị đủ phục vụ cho thiết kế trạm thuỷ điện. Phần II - "Công trình trạm thuỷ điện", gồm 9 chương dùng để giảng 40 tiết trên lớp, thuộc hai phần: Phần IIa -"Các công trình thuộc tuyến năng lượng" với 7 chương (từ chương IX đến chương XV), bao gồm các công trình thuộc tuyến năng lượng: cửa lấy nước, bể lắng cát, công trình dẫn nước, bể áp lực, đường ống turbine, buồng điều áp. Nội dung trình bày về cấu tạo cũng như tính toán xác định kích thước các công trình thông qua tính toán thuỷ lực và tính toán dòng không ổn định của chúng. Phần IIb - "Nhà máy thuỷ điện", gồm 2 chương XVI và XVII, nội dung trình bày các loại nhà máy thuỷ điện và một số thiết bị cơ điện của chúng, cách bố trí, xác định kích thước nhà máy, tính toán ổn định và tính kết cấu các phần dưới nước của nhà máy. Giáo trình này đề cập khá đầy đủ nội dung chuyên môn của môn học Thủy điện 2, đáp ứng 60 tiết giảng trên lớp và còn có thể dùng tham khảo thêm sau này khi sinh viên ra trường tham gia vào lĩnh vực thiết kế công trình thuỷ điện sẽ gặp phải. Trong quá trình biên soạn giáo trình, do khả năng có hạn do vậy không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của đồng nghiệp và bạn đọc để sửa chữa cho tốt hơn. Tháng 5 - 2006 Tác giả nhieu.dcct@gmail.com 2 nhieu.dcct@gmail.com Phần I TURBINE THỦY LỰC & CÁC THIẾT BỊ THỦY LỰC CỦA TTĐ Turbine thủy lực là loại động cơ chạy bằng sức nước, nó nhận năng lượng dòng nước để quay và kéo rô to máy phát điện quay theo để tạo ra dòng điện. Tổ hợp turbine thủy lực và máy phát điện gọi là "Tổ máy phát điện thủy lực". Ở phần này chúng ta chỉ nghiên cứu về turbine thủy lực, thiết bị điều tốc và giới thiệu một số hệ thống thiết bị thủy lực có liên quan . Chương I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TURBINE THỦY LỰC I. 1. PHÂN LOẠI TURBINE THỦY LỰC CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN Trong quá trình đấu tranh sinh tồn và cải tạo thế giới tự nhiên, loài người đã sớm biết sử dụng các động cơ thủy lực: từ những bánh xe nước dùng vào việc kéo máy xay xát nông sản đến phát triển chúng lên thành những turbin thuỷ lực hiện đại kéo máy phát điện để sản xuất ra điện năng ngày nay. Để sử dụng một cách có hiệu quả năng lượng dòng nước đặc trưng bởi tổ hợp cột nước và lưu lượng khác nhau cần phải có đủ những loại turbine khác nhau về cấu tạo, kích thước cũng như quá trình làm việc của chúng. Dựa vào việc sử dụng dạng năng lượng trong cơ cấu bánh xe công tác (BXCT) của turbine người ta chia turbine thủy lực ra làm hai loại: turbine xung kích và turbine phản kích. Trong các loại lại chia ra các hệ và các kiểu turbine. Viết phương trình Becnully cho cửa vào (chỉ số1) cửa ra (chỉ số2) của bánh xe công tác turbine, ta có năng lượng viết cho một đơn vị trọng lượng nước như sau: H = (Z1 - Z2) + p p1 2− γ + α α1 12 2 22 2 V V g − Z1-Z2 : là thành phần năng lượng do chênh lệch vị trí tạo ra, gọi là vị năng; p p1 2− γ : là áp năng; gộp vị năng và áp năng thành thế năng ( T ). α α1 12 2 22V V− 2g : là động năng ( Đ ). Từ những thành phần năng lượng trên ta có những loại turbine thuỷ lực sau: * Turbine chỉ sử dụng phần động năng để làm quay BXCT gọi là loại turbine xung kích. Loại này còn gọi là turbine dòng chảy không áp vì dòng chảy trong môi trường khí quyển nên chuyển động của dòng tia trên cánh BXCT là chuyển động không áp, áp suất ở cửa vào và cửa ra như nhau và bằng áp suất khí tr ệ sau: ời. Turbine xung kích đuợc chia ra các h + Hệ turbine xung kích gáo (turbine Penton); + Hệ turbine xung kích kiểu phun xiên; + Hệ turbine xung kích hai lần (turbine Banki). 3 nhieu.dcct@gmail.com 4 ảy òng ệ sau: ục ( gọi tắt là là turbine tâm trục, hay Franxis); + Hệ TB dòng ( gồm turbine dòng nửa thẳng và turbine dòng thẳng ); m việc theo hai chế độ: máy bơm và turbine). dòng tia trên các cánh bánh xe công tác (BXCT) là chúng ta nghiên cứu cụ thể các rbine, làm uay BXCT kéo theo trục turbine 5 quay, nước đập vào cánh gáo bị bắn ra hai phía và được vỏ 6 của turbine gom lại dẫn về hầm xả để tháo về hạ lưu của nhà máy. * Turbine sử dụng cả thế năng và động năng, trong đó phần thế năng là chủ yếu gọi là loại turbine phản kích . Loại này còn gọi là turbine dòng chảy có áp, áp lực dòng ch ở cửa vào của BXCT luôn lớn hơn áp lực ở cửa ra của nó. Dòng chảy qua TB là d liên tục điền đầy nước trong toàn bộ máng cánh. Loại này được chia ra các h + Hệ TB xuyên tâm hướng tr + Hệ TB hướng trục ( gồm turbine cánh quạt và turbine cánh quay ); + Hệ TB hướng chéo; + Hệ TB thuận nghịch ( là I . 2. TURBINE XUNG KÍCH Như trên đã nói, turbine xung kích là loại chỉ sử dụng phần động năng của dòng chảy. Ở loại turbine này, dòng nước sau khi ra khỏi vòi phun thì toàn bộ năng lượng dòng chảy đều biến thành động năng để đẩy bánh xe công tác. Vì chảy trong môi trường khí quyển nên chuyển động của chuyển động không áp hay còn gọi là dòng tia tự do. Sau đây hệ của turbine xung kích: I . 2 .1. Turbine xung kích gáo ( còn gọi là turbine Penton ) Turbine này do người Mỹ tên là Penton đưa ra năm 1880 nên còn gọi là turbine Penton. Quá trình hoạt động của turbine gáo như sau (xem hình 1-1): nước từ thượng lưu theo ống áp lực 1 chảy qua vòi phun 2 (ở đây lưu lượng được điều chỉnh trước khi phóng vào cánh BXCT nhờ van kim 7), rồi phóng vào cánh dạng gáo 4 của tu q Hình 1-1. Turbine xung kích gáo Sau đây chúng ta xem xét cấu tạo và tác dụng các bộ phận chính của turbine gáo (hình 1-2). Vòi phun 1 nhận nước từ ống áp lực biến toàn bộ năng lượng dòng nước thành động năng trước khi đưa vào BXCT và điều chỉnh lưu lượng vào turbine nhờ dịch nhieu.dcct@gmail.com 5 . Sự phố hợp dịch chuyển van kim và thiết bị tách dòng liên hợp với nhau nhờ cơ cấu liên hợp trong máy điều tốc (xem chương VII -Thiết bị điều tốc của turbine thuỷ lực). chuyển qua lại của van kim 3 đặt bên trong (hình 1-2,a). Turbine gáo cột nước cao và ống áp lực dài còn có bộ phận tách dòng 5 để hướng một phần hay toàn bộ tia nước không cho vào BXCT để tránh hiện tượng nước va xảy ra quá lớn khi đóng nhanh van kim của nó. Bộ phận này chỉ làm việc khi cắt giảm phụ tải máy phát điện. Khi phụ tải giảm, van kim cần phải nhanh chóng đóng bớt độ mở để giảm lưu lượng thich hợp, tuy nhiên nếu van đóng quá nhanh trong vòi phun sẽ xuất hiện áp lực nước va quá lớn làm bể vòi phun. Để giảm trị số áp lực nước va, lúc này máy điều tốc sẽ nhanh chóng nhấc thiết bị tách dòng 5 lên ngắt bớt phần lưu lượng thừa ra khỏi cánh gáo. Nhờ vậy lưu lượng vào BXCT vẫn giảm ngay theo yêu cầu giảm tải mà van kim chỉ phải đóng từ từ i Hình 1-2. Các bộ phận chính của turbine gáo Bánh xe công tác của turbine gáo ( hình 1-1 và 1-2b,c ) gồm có đĩa 1 trên chu vi đĩa có gắn các cánh dạng gáo 2 (nên gọi là gáo). Phụ thuộc vào cột nước mà số gáo có từ 14÷60 cánh. BXCT có thể là một khối liền khi các cánh gáo và đĩa được đúc thành một khối, và không phải là khối liền khi cánh gáo được đúc riêng và được gắn lên đĩa bằng bu lông hoặc hàn. Chính giữa cánh gáo có gân 3 chia gáo làm hai phần bằng nhau để chia tia nước tác động vào gáo thành hai phần đi về hai hướng bắn ra hai bên. Đuôi dưới của cánh gáo được khoét hõm 4 để cho tia nước xuyên qua hõm của cánh trước nhieu.dcct@gmail.com 6 đập thẳ óc (th o chiề ay đòn của mômen quay và tránh mômen ng c. Vỏ turbine có n ra ngoài gian máy. V được bố trí đều chung ng vào cánh gáo thẳng g e u quay) làm tăng cánh t ược của tia nước vào phía sau gáo nằm phía trướ hiệm vụ không cho nước từ buồng BXCT bắn ỏ phải có kích thước và hình dáng thế nào để hứng nước từ gáo xuống hầm xả mà không rơi ngược trở lại phía sau gáo làm cản trở việc quay của BXCT. Điều này rất quan trọng đối với turbine gáo trục đứng có nhiều vòi phun. Hầm xả có nhiệm vụ tập trung nước sau khi đi khỏi BXCT lại để dẫn về hạ lưu. Mực nước trong hầm xả phải bảo đảm thấp hơn cao trình thấp nhất của BXCT một khoảng nào đó, thường là bằng đường kính D1 và đặt cao hơn mức nước trong hầm xả. Loại trục ngang thường có công suất bé và có từ một đến hai vòi phun cho mỗi BXCT (hình 1-1,b), số lượng bánh xe công tác trên một trục thường nhỏ hơn ba. Loại trục đứng có số vòi phun nhiều hơn, thường hai đến sáu vòi, quanh BXCT. Hình 1-3 là biểu thị turbine gáo trục đứng có sáu vòi phun. Mặt bằng Mặt đứng Hình 1-3. Turbine gáo trục đứng nhiều vòi phun Turbine gáo sử dụng động năng để quay do vậy cần tạo nên vận tốc dòng phun lớn để tăng công suất turbine, măt khác kết cấu BXCT rất vững chắc do vậy turbine này được sử dụng với cột nước cao lưu lượng nhỏ. Turbine gáo loại lớn có phạm vi sử dụng cột nước từ 200÷2000m hoặc hơn nữa, turbine gáo loại nhỏ thì từ 40÷250m. Trục turbine gáo có thể đứng (hình 1-3) hoặc ngang. Trạm TĐ Bôgôta ở Côlombia đã đạt đến cột nước rất cao H = 2000m, công suất lắp máy N = 500 MW. Trạm Raisec ở Úc có cột nước H = 1767m. Nước ta có các trạm H = 500÷800m như Vĩnh Sơn và Đa Nhim, sử dụng hệ turbine xung kích gáo. I. 2. 2. Turbine xung kích hai lần ( turbine Banki ) Turbine xung kích hai lần có phạm vi sử dụng cột nước từ 6÷150m, thường từ 10÷60m. Kết cấu của nó rất đơn giản (hình1-4), dễ chế tạo nên được sử dụng rộng rãi ở , ccác trạm thủy điện nhỏ có lưu lượng bé ột nước vừa, trục thường nằm ngang. nhieu.dcct@gmail.com Hình 1-4. Turbine xung kích 2 lần Turbine gồm có vòi phun tiết diện hình chữ nhật 4 được nối liền với đoạn ống chuyển tiếp 8. Vòi có cơ cấu điều chỉnh lưu lượng gồm van phẳng 3 gắn với trục điều khiển 2 có tay quay vô lăng. Khi vô lăng quay, trục điều chỉnh sẽ tịnh tiến về phía trước hoặc phía sau làm cho tiết diện ra của vòi phun thay đổi, nên lưu lượng vào turbine cũng được thay đổi theo. Bánh xe công tác gồm các cánh cong 7 được gắn giữa các đĩa 6, số cánh từ 12÷48. Trục turbine xuyên qua giữa bánh xe công tác gắn chặt với các đĩa bằng then. Vỏ (buồng) 9 dùng để chắn không cho nước từ BXCT bắn ra ngoài. Hầm xả 5 có nhiệm vụ dẫn nước về hạ lưu. Hình dáng BXC ồng sóc. Dòng nước t vòi phun tác dụng vào các cánh phía trên (nhận khoảng chừng 80% năng lượng của hất, xong lại đi vào khoảng trống giữa BXCT rồi lại tác dụng lầ ư ậy có thể chế tạo turbine với đường kính bé để có vòng quay lớn, do vậy giảm giá thành chế tạo turbine và tổ máy thủy lực. I. 2. 3 Turbine xung kích phun xiên Turbine xung gáo chỉ khác T turbine xung kích hai lần gần giống l ừ dòng nước) đẩy BXCT lần thứ n n thứ hai vào cánh trước khi ra khỏi bánh xe công tác (nhận thêm 20÷30% phần năng lượng còn lại). Cũng chính vì thế ta gọi nó là turbine xung kích hai lần. Hiệu suất của loại turbine này tùy thuộc vào số cánh của BXCT và vào khoảng 80÷85%. Ưu điểm cơ bản của turbine xung kích hai lần là có thể chọn đường kính BXCT và số vòng quay turbine trong một phạm vi rộng mà không phụ thuộc vào lưu lượng, bởi vì lưu lượng không chỉ phụ thuộc vào đường kính mà còn phụ thuộc vào chiều rộng BXCT nữa. Nh v kích phun xiên (hình 1-5) có hình dạng giống turbine ở kết cấu BXCT và hướng của tia nước vào BXCT. Tia nước bắn vào BXCT không trực giao với cánh mà làm với cánh một góc α, nhờ thế có thể làm vành ghép mép ngoài của BXCT nên đơn giản hóa được cách ghép cánh vào đĩa. Hình dạng cánh loại này cũng dễ chế tạo hơn. Nó cho phép gia công hàng loạt bằng cách đập. Turbine tia nghiêng ít được sử dụng rộng rãi, nó chỉ được sử dụng ở TTĐ nhỏ có cột nước vào khoảng H = 30÷400m. 7 nhieu.dcct@gmail.com Hình 1-5. Turbine xung kích phun xiên I . 3. TURBINE PHẢN KÍCH Turbine phản kích là loại sử dụng phần thế năng và một phần động năng của dòng nước. Bánh xe công tác của nó làm việc trong môi trường chất lỏng liên tục và áp lực nước ở phía trước bánh xe công tác lớn hơn phía sau của nó. Khi chảy qua rãnh tạo bởi bề mặt cong của các cánh, dòng nước sẽ thay đổi hướng tác dụng lên cánh và làm quay BXCT. Dựa vào hướng của dòng nước ở cửa vào và cửa ra BXCT người ta chia turbine làm các hệ: tâm trục, hướng trục, cánh chéo, turbine dòng, thuận nghịch. Hình 1-6. Các bộ phận chính của turbine phản kích. Xét về mặt cấu tạo, bất cứ hệ turbine phản kích nào cũng gồm các bộ phận chính sau: buồng turbine 1, vòng bệ 2, cơ cấu hướng dòng 3, BXCT 4, buồng BXCT 5, ống xả 6, trục và ổ trục 7 và các thiết bị phụ của chúng (hình 1-6). Sáu bộ phận đầu hình thành bộ phận qua nước của turbine, còn ổ trục và trục là bộ phận kết cấu có nhiệm vụ tiếp nhận và truyền mô men quay từ BXCT đến rôto của 8 nhieu.dcct@gmail.com 9 máy ph I. 3. 1. theo hướng dọc trục. Do vậy gọi là turbine tâm trục. Turbine này do kỹ sư người i là turbine Franxis. át điện. Trong các bộ phận qua nước thì BXCT là bộ phận trực tiếp biến đổi thủy năng thành cơ năng chuyển động quay. Bộ phận cơ cấu hướng nước có tác dụng thay đổi trị số lưu lượng và hướng dòng chảy trước khi đi vào BXCT, còn ống xả được dùng để tháo nước từ BXCT về hạ lưu. Sau đây chúng ta lần lượt xem xét các bộ phận của turbine phản kích, các hệ turbine khác nhau chủ yếu là bánh xe công tác còn các bộ phận khác nhìn chung giống nhau. Việc phân loại TB phản kích dựa vào hướng dòng nước đi vào và ra khỏi BXCT. Bánh xe công tác của turbine tâm trục (turbine Franxis ) Turbine tâm trục (xem hình 1-7) là một trong những hệ TB phản kích được sử dụng rộng rãi nhất. Chất lỏng từ buồng 4 qua cánh hướng dòng 3 vào cửa vào cánh 1 BXCT theo hướng xuyên tâm rồi chuyển chuyển hướng 900 và ra khỏi BXCT để vào ống xả Pháp tên là Franxis hoàn chỉnh năm 1849 nên còn gọ Hình 1-7. Bánh xe công tác của turbine tâm trục BXCT của turbine tâm trục gồm có vành trên 14 và vành dưới 13, các cánh 1 có dạng cong không gian ba chiều gắn chặt vào hai vành. Số cánh từ 12 đến 22 cánh, thường là 14 đến 18 cánh. Thường BXCT được đúc liền thành một khối, trường hợp bị điều kiện vận chuyển hạn chế có thể chế tạo BXCT thành từng phần, khi lắp ráp sẽ dùng các bulông ghép vành trên và đai ghép nóng ở vành dưới của các phần đó lại hoặc hàn nhieu.dcct@gmail.com 10 nối các rãnh phân chia. Đối với turbine nhỏ có thể dập cánh, sau đó định vị chúng rồi đúc liền vành trên và dưới để được BXCT liền khối vững chắc. Tùy theo cột nước sử dụng, đường kính lớn nhất cửa vào D1 (đường kính tiêu chuẩn) và đường kính lớn nhất cửa ra D2 mà người ta chia turbine tâm trục làm 3 dạng: - Dạng D1 < D2 gọi là turbine tỷ tốc cao loại này dùng với cột nước thấp (H< 80m) vì cấu tạo của chúng có khả năng chịu lực không cao (hình 1-7,b); - Dạng D 1 > D2 gọi là turbine tỷ tốc thấp (hình 1-7,c) loại này có cấu tạo vững chắc do vậy chúng được dùng với cột nước cao, đã có turbine làm việc với cột nước 550m; - Dạng D1 = D2 gọi là turbine tỷ tốc trung bình, nó là loại trung gian giữa 2 loại trên. Turbine tâm trục có phạm vi sử dụng cột nước thường từ vài mét đến 550m. Ở nước Nga, Trạm thủy điện Cracnoarck sử d oại này với công suất mỗi turbin là 508MW, đường k ị An u dùng turbine ụng l e ính D1 = 7,5m. Ở nước ta, TTĐ sông Đà và Tr đề tâm trục, TTĐ Hòa Bình dùng 8 turbine tâm trục, công suất mỗi turbine là 240MW, H = 88m. I. 3. 2. Bánh xe công tác của turbine hướng trục Gọi là turbine hướng trục vì hướng chảy của dòng nước trong phạm vi BXCT theo hướng trục quay của turbine. Trên (hình 1-8) nước từ buồng xoắn chảy qua cột vòng bệ 10 vào cánh hướng nước 3 đổi hướng và chảy vào và ra khỏi cánh 11 của BXCT 1 theo chiều dọc trục và theo ống xả về hạ lưu nhà máy. Hình 1-8. Turbine hướng trục. BXCT gồm có bầu 1 được nối bích với trục turbine 2, xung quanh bầu bố trí các cánh hình vặn vỏ đổ để áp lực nước tác động lên cánh làm quay BXCT. Liên kết giữa cánh và bầu theo kết cấu côngxôn nên chịu áp lực thấp, số cánh thường ít do vậy khả năng tháo nước lớn. Trong hệ hướng trục dựa vào sự liên kết giữa cánh và bầu người ta chia hệ hướng trục ra hai dạng: turbine có cánh gắn cố định với bầu là turbine cánh quạt, còn turbine cánh có thể quay quanh trục của nó trên bầu là turbine cánh quay. nhieu.dcct@gmail.com 11 1. Turbine cánh quạt BXCT của turbine cán ầu, có gắn từ 3 đến 9 cánh, h quạt (hình 1-9) gồm có b thông thường là 4 đến 8 cánh. Cánh có thể chế tạo liền với bầu tạo thành một khối thống nhất hoặc chế tạo riêng biệt sau đó gắn chặt vào bầu bằng bulông. Khi đi qua các mặt cong của cánh, dòng nước buộc phải đổi hướng chuyển động do đó tạo ra một áp lực tác Hình 1-9. BXCT của turbine cánh quạt dụng lên cánh làm quay BXCT. Nhược điểm của loại BXCT này là có đường đặc tính công tác dốc, do vậy khi lưu lượng, cột nước hoặc công suất thay đổi lệch với chế độ thiết kế thì hiệu suất turbine sẽ giảm đi rất nhanh. Đối turbine tỷ tốc cao chỉ cần lưu lượng giảm đến còn 45% lưu lượng tính toán thì hiệu suất và công suất có thể giảm đến không. Do vậy nên cho turbine cánh quạt đảm nhận công suất và cột nước ít thay đổi. Turbine cánh quạt được sử dụng ở Trạm thuỷ điện có cột nước H = 1,5÷40m, hiện nay thường dùng ở TTĐ nhỏ, tuy rằng đã có turbine dạng này đường kính đạt đến 9 m. 2. Turbine cánh quay ( Kaplan ) Turbine cánh quay (hình 1-10) là loại ra đời sau cánh quạt. Năm 1924 giáo sư người Tiệp tên là Kaplan đã cải tiến thành công turbine cánh cố định thành cánh quay được, nên turbine này còn được gọi là turbine Kaplan. Nhờ cánh có thể quay được xung uanh bầu, do vậy thích ứng được các chế độ làm việc khác chế độ thiết kế dẫn đến vùng làm việc của turbine v . Do vậy TB cánh quay có khả năng làm việc với công suất và cột nướ đổi nhiều. BXCT của TB cánh quay q ới hiệu suất cao được mở rộng c thay gồm có: bầu, cánh, chóp thoát nước và bộ phận quay cánh xung quanh BXCT. Bầu phải có hình cầu để giảm bớt khe hở giữa cánh với bầu khi quay cánh. Chóp thoát nước có tác dụng làm cho nước chảy khỏi BXCT thuận dòng hơn và giảm được tác dụng mạch động. Khi làm việc, các cánh BXCT hướng trục chịu tác dụng áp lực nước ở dạng sơ đồ chịu lực kiểu dầm côngxôn do không có vành dưới, tại nơi tiếp giáp cánh với bầu chịu mômen uốn lớn nhất. Người ta đã đo được áp lực nước tác dụng lên một cánh có thể đạt tới 240 tấn. Do vậy phải sử dụng động cơ tiếp lực dầu cao áp mới quay được cánh . Bộ phận quay cánh gồm trục cánh 6 (hình 1-10,b), động cơ tiếp lực 4, hệ thống thanh truyền 7. Tay quay 8 được nối với trục cánh 6, còn thanh truyền có chốt nối liền nhieu.dcct@gmail.com 12 u có áp vào một ngăn nào đó của xi còn ở ngăn kia dầu thông với lỗ dầu xả thì pittông lẫn thanh truyền 7 sẽ dịch lên píttông 5 của động cơ tiếp lực với tay quay. Pittông 5 chia xi lanh của động cơ tiếp lực làm hai ngăn: trên và dưới. Dầu có áp từ thiết bị dầu áp lực qua hai ống dẫn đồng tâm lồng vào nhau nằm bên trong trục tổ máy. Khi dầ lanh Hình 1-10. Turbine Kaplan xoay các cánh theo các góc quay như nhau. So với turbine cánh uạt thì turbine cánh quay được dùng với cột nước thấp hơn do khả năng chịu lực của nó có yếu hơn. Cùng với turbine tâm trục, turbine cánh quay được sử dụng rất rộng rãi. Ngày nay thế giới đã có những turbine cánh quay cực lớn, như ở TTĐ Xaratôp ở Nga có đường kính tiêu chuẩn D1 = 10,3m, cột nước thiết kế H = 9,7m, với công suất N = 59,3MW, vòng quay định mức n = 50 vòng/phút, trọng lượng 1229tấn. Turbine ở trạm TĐ Porto Primavera ở Brasil có D1 = 8,6m, N = 105MW, cột nước H = 22m. hoặc xuống, do đó làm q nhieu.dcct@gmail.com 13 I. 3. 3. Turbine cánh chéo Hình 1-11. Turbine cánh chéo trên. Turbine cánh chéo được sử dụng ở các TTĐ có cột nước H = 30÷150m. Nó thuộc h quay. BXCT gồm 10 đến 14 cánh được gắn vào bầu 3 hình chóp nhờ ục cánh 2. Trục cánh làm 0,450,600 nên dòng chảy trong XCT héo góc với ay, các cánh BXCT quay được oại turbine này đã TĐ Buctamin có công suất N = 77MW, cột nước H = 61m, đ Turbine cánh chéo (hình 1-11) được ra đời chậm hơn các loại turbine trên, nó là loại trung gian giữa tâm trục và hướng trục. Nó kết hợp được các ưu điểm của hai hệ turbine loại turbine cán các tr với trục turbine một góc 30 B c trục. Cũng như turbine cánh qu quanh trục của nó, nhờ cơ cấu quay cánh gồm vành sao 5 và thanh truyền 4 nằm trong bầu nên hiệu suất bình quân của nó cao hơn turbine tâm trục ở hầu hết các chế độ làm việc. Mặt khác số cánh BXCT của turbine này nhiều hơn so với turbine cánh quay nên có thể làm việc với cột nước cao hơn mà vẫn không bị khí thực. L được chế tạo ở Nga dùng cho T ường kính D1 = 4,35m, n =150 vòng/phút. Ngoài ra, TB cánh quay làm việc với cột nước thấp, muốn chịu được cột nước cao hơn thì phải tăng số lượng cánh BXCT của nó lên từ 6 đến 10 cánh. Như vậy bầu BXCT phải có đường kính lớn. Để có thể tăng số cánh mà không phải tăng đường kính thì tốt hơn hết là trên mỗi trục cánh lắp hai cánh kép (hình1-12). Loại này đã được lắp đặt ở nhà máy thủy điện Thác Bà với đường kính D1 = 4,5m, H = 32m. nhieu.dcct@gmail.com Hình 1-12. Bánh xe công tác của turbine cánh kép I. 3. 4. Turbine dòng Turbine dòng gồm hai loại: dòng c y thẳng và nửa thẳng. Turbine dòng thực hiệu suất cao hơn so với turbine phản đến 30% do khả năng tháo nước a nó. Turbine cap xun được sử dụng rộng i ở Nga, Nhật, Mỹ... ở các sông vùng đồng bằng hoặc ở các TTĐ thủy triều. Trạm TĐ Trereparec có công suất mỗi turbine N = 20MW, H = 14,9m. Trạm thuỷ điện có turbine cáp xun lớn nhất là Kiev có N = 320MW. hả chất là turbine cánh quay trục ngang, nên BXCT của nó hoàn toàn giống turbine cánh quay. Loại này dùng với cột nước rất thấp và lưu lượng rất lớn. 1. Turbine dòng nửa thẳng (hình 1-13), turbine này còn gọi là turbine Capxun. Tổ máy có turbine trục ngang nối liền trục với trục máy phát điện đặt trong bọc kín bằng kim loại 1 (gọi là cáp xun) có dạng thuận dòng. Cáp xun chứa máy phát điện có thể nằm trước BXCT hoặc nằm sau BXCT trong ống hút thẳng 2. Các cánh hướng dòng 3 thuộc loại hướng tâm hoặc hình chóp. Stator thuộc loại và cùng với các trụ tựa sẽ truyền tải trọng tổ máy lên móng máy. Liên hệ giữa các thiết bị đặt trong cáp xun với gian máy bằng các tháp 4. Turbine cap xun có kích khác rã củ 14 nhieu.dcct@gmail.com Hình 1-13. Tổ máy cáp xun Tur d Ở turbine dòng thẳng (hình 1-14), dòng nướ ồng turbine hình trụ th a r t ận hướng dòng 2 và tác độn T u theo t R m y phát điện 4 đượ ắn vào mú cánh d q 2. bine òng th ng ẳ c theo bu ẳng đi qu Stato rước 1 vào bộ ph g vào BXC 3 về hạ lư dòng hẳng. ôtor á c g t TB, o vậy khi BXCT uay Hình 1-14. Turbine dòng thẳng 15 nhieu.dcct@gmail.com 16 và máy ơm tr thì cũng chính là rotor quay. Turbine dòng thẳng có cấu tạo phức tạp, đặc biệt là ở các vòng đệm chống thấm vòng quanh mà hiệu suất không cao hơn turbine hướng trục bình thường mấy, nên ít được sử dụng. Trạm thuỷ điện Ortatran ở Liên Xô cũ sử dụng turbine này với công suất turbine N = 6,3MW, cột nước H = 10,5m. I. 3. 5. Turbine thuận nghịch Turbine thuận nghịch được dùng trong " tổ máy hai máy" ở các TTĐ tích năng, có khả năng làm việc ở hai chế độ: bơm nước và phát điện. Tổ máy gồm có hai máy: turbine thuận nghịch và máy điện ( "máy phát điện - động cơ điện") làm việc ở 2 chế độ máy phát và động cơ. Tổ máy loại này thay cho các loại tổ máy làm việc ở các chế độ riêng biệt không kinh tế hoặc " tổ máy ba máy ". Nguyên lý làm việc của turbine b ái ngược nhau, do vậy để làm việc ở một chế độ cụ thể phải chỉnh chiều quay cánh thích hợp với từng chế độ làm việc. Sau đây là một ví dụ về turbine Capxun thuận nghịch (hình 1-15). Turbine này gồm có các bộ phận chính sau: BXCT 1 là TB thuận nghịch có khả năng thay đổi góc nghiêng cánh theo hai chế độ bơm hoặc turbine; cơ cấu Hình 1-15. Turbine Capxun thuận nghịch ướng dòng (CCHD) 2 dạn i chế độ bơm hay turnine; được gắn cố định vào bêtông nhà máy nhờ các cột 3. g hình côn thay đổi phù hợp vớh "bóng đèn" (capxun) 4 kín nước, Bên trong cápxun 4 bố trí trục tổ máy trên ổ tựa 6 và ổ chặn 7 và "máy phát - động cơ" 8. Giếng thông 5 được dùng để đặt cáp điện, đường ống dẫn dầu ..v.v...đến động cơ trợ động của BXCT và lên xuống gian máy phía trên. BXCT thuận nghịch có đường kính 0 05,35m, bốn cánh quay xung quanh bầu với các góc từ -5 đến +35 so với vị trí tính toán. Với công suất 10 MW lưu lựơng bơm được là 105 m3/s khi H = 6m và 225 m3/s khi H = 1m; lưu lượng lớn nhất ở chế độ turnie là 230 m3/s . Vòng quay n = 97,75 v/p, máy phát - động cơ đồng bộ, có điện áp 3,5 kV. nhieu.dcct@gmail.com 17 Chương II. CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA TURBINE THUỶ LỰC Ở chương I chúng ta nghiên cứu khái quát về các loại turbine và tính năng ứng ứu cụ thể hơn về cấu tạo, công dụng bộ phận chính ine ệ ểu stator : kiểu cột đỡ riêng rẽ và kiểu vòng (a). ử dụng kiểu vòng để tăng độ cứng, còn kiểu cột ng rẽ dụng của từng loại turbine. Chương II sẽ nghiên c của các bộ phận chính của turbine và tìm hiểu các xác định kích thước của chúng. Ngoài BXCT, các bộ phận chính của turbine gồm: thiết bị dẫn nước (buồng turbine), thiết bị tháo nước (ống xả), phần tĩnh (stator), cơ cấu hướng dòng (CCHD) ..v.v.. . II. 1. VÒNG BỆ, CƠ CẤU HƯỚNG DÒNG, TRỤC CỦA TB. PHẢN KÍCH Như trên đã nói, ngoài BXCT, turbine phản kích còn có những rục và ổ trục của turbsau đây: vòng bệ của turbine, cơ cấu hướng dòng, t II. 1. 1. Vòng bệ (Stator) của turbine: Vòng bệ của turbine (hình 1-6 và 2-1) là phần cố định của turbine, có tác dụng máy, sàn và btruyền xuống móng nhà máy các tải trọng gồm trọng lượng toàn bộ tổ máy phát điện, áp lực nước dọc trục tác dụng lên BXCT và khối bê tông phủ lên nó v.v... Stator bao gồm một số cột chống 2 với tiết diện ngang hình đường dòng, liên kết với vành đỡ trên 1 và dưới 3. Có hai ki Phần lớn các turbine phản kích đều s riê chỉ sử dụng cho buồng xoắn bê tông cốt thép, ở đó ổ chặn không lắp trên nắp turbine. Số lượng cột stator bằng một nửa số cánh hướng nước. Hình 2-1. Vòng bệ và CCHD của turbine Để xác định kích thước buồng xoắn cần phải biết hình dạng và các kích thước của vòng bệ và cánh hướng dòng.Hình kích thước vòng bệ (stator) 2-1,b và bảng (2-1) xác định nhieu.dcct@gmail.com 18 của turbine. Trong bảng: Da, Db là đường kính ngoài và trong của vòng bệ, b0 là chiêu cao cánh hướng dòng (bảng 6-5 và 6-6 chương VI), Z0 là số lượng cánh hướng dòng. Bảng 2-1. Bảng kích thước vòng bệ ( đơn vị cm) D1 D0 Z0 Cho buồng xoắn bê tông cốt thép Cho buồng xoắn kim loại cán D D D R h h D D D R H h b a 4 1 2 b a 4 180 220 16 260 305 330 20 21 200 240 16 285 335 360 20 23 225 275 16 320 375 400 20 23 250 290 24 340 390 400 28 32 23 330 390 415 25 25 280 325 24 382 438 448 30 35 25 372 438 463 25 25 320 375 24 437 500 510 30 40 30 426 500 535 30 32 360 420 24 485 500 570 35 40 30 480 555 590 35 35 400 465 24 542 620 630 35 45 35 532 615 650 35 41 450 525 24 610 700 710 40 45 45 600 695 735 40 41 500 580 24 675 777 780 40 50 40 660 765 805 40 46 550 24 745 855 805 50 50 40 730 845 885 50 46 640 600 700 24 875 935 945 50 55 45 800 925 965 50 50 II. 1. 2. Cơ cấu hướng dòn ồng turbine 1 chảy vòng qua các cột stator 2, chảy qua khe hở giữa yến và rò nước cần có đệm chống rò bằng cao su. Bộ phậ n 5 từ máy điều tốc quay kéo tay quay 6 và thanh kéo 7 làm quay v g (CCHD): Nước lần lượt từ bu các cánh hướng dòng 3, ở đây lưu lượng được điều chỉnh do thay đổi khe hở giữa các cánh trước khi vào BXCT 4 (hình 1-6 và 2-2,a).Cơ cấu này có tác dụng sau: - Hình thành hướng dòng chảy nhất định ở trước BXCT; - Điều chỉnh lưu lượng nước vào turbine, do đó thay đổi công suất của turbine. Bộ phận CCHD gồm có hai thành phần chính: các cánh hướng dòng hình lưu tu cơ cấu quay cánh. Mỗi cánh hướng nước có thân 3 và trục cánh 5. Đầu trên trục cánh được lồng vào các lổ khoét ở nắp TB, còn đầu dưới thì được lắp vào vành dưới, nhờ đó các cánh có thể quay được quanh trục của nó để thay đổi độ mở a0 của CCHD. Khi cánh hướng nước đóng hoàn toàn a0 = 0, để giảm n quay cánh hướng dòng gồm có các chi tiết: nắp turbine 6 chứa ổ trục trên của cánh, vòng dưới chứa ổ trục dưới của cánh, các cánh hướng 3 và cơ cấu tay quay 7. Độ mở a0 dược thay đổi như nhau cho các cánh nhờ vòng điều chỉnh 8 của CCHD. Nhờ chuyển động tịnh tiến hai cần 10 của hai động cơ tiếp lực 9 của máy điều tốc mà vòng điều chỉnh 8 xoay, kéo theo CCHD xoay để dẫn vào BXCT lưu lượng yêu cầu. Hình 2-2,b là sơ đồ đơn giản của CCHD dùng cho TB nhỏ trục đứng buồng hở. Nước từ buồng hở qua khe hở giữa các cánh 2 vào BXCT 11. Điều chỉnh độ mở a0 theo yêu cầu nhờ trục diều khiể òng điều chỉnh 8 tác thay đổi trục 4 làm cánh hướng 2 xoay quanh trục 10 của nó. nhieu.dcct@gmail.com Hình 2-2. Bộ phận xoay CCHD II. 1. 3. Ổ trục và trục turbine: Trục turbine được dùng để truyền mô men xoắn từ BXCT đến rôtor máy phát ống dẫn dầu (đối với cánh quay), ẫn khí điện Trục turbine trục đứng bên trong rỗng để lắp các d xuống BXCT để phá chân không cho turbine tâm trục và đường dây điện ..v.v... Ổ trục định hướng để định tim trục, được bôi trơn bằng dầu hoặc bằng nước. Loại bôi trơn bằng nước thường được lắp ở trên nắp turbine. Loại bôi trơn bằng dầu khoáng thì tấm bạc của ổ trục làm bằng hợp kim babít. Hình 2-3 là đồ thị xác định đường kính trục turbine. Đường kính trục phụ thuộc vào mômen xoắn của dòng chảy Mkp = 97400.N/n ( kGcm). Trong đó N (kW) và n (vòng/phút). Có Mkp tra ra đường kích trục turbine DB (mm). Hình 2-3. Biểu đồ quan hệ đường kính trục và công suất turbine. 19 nhieu.dcct@gmail.com 20 nh lượng chảy vòng tại cửa vào CCHD. Buồng turbine cần bảo đảm những yêu cầu chính sau: - Dẫn nước đều đặn lên chu vi các cánh hướng dòng để tạo nên dòng chảy đối xứng ới trục quay c - Thuận tiện cho việc bố trí turbine và thiết bị phụ của nó trong gian máy của TTĐ. òn không đều ổ trụ à đường II. 2. THIẾT BỊ DẪN NƯỚC CỦA TURBINE Thiết bị dẫn nước (buồng turbine) là phần nối công trình dẫn nước của trạm thủy điện với turbine và hình thà v ủa turbine. - Tổn thất thủy lực trong buồng và đặc biệt là trong CCHD nhỏ nhất. - Dễ nối tiếp với đường dẫn của trạm thủy điện. - Buồng có kích thước giảm nhỏ và kết cấu đơn giản. - Áp lực tác dụng lên BXCT đều nhau để tránh m c. Dựa vào cột nước và công suất của TTĐ mà buồng turbine có các kiểu: buồng hở, buồng hình ống và buồng xoắn ốc. II. 2. 1 Loại buồng hở của turbine Buồng hở là loại đơn giản nhất thường dùng cho cột nước H = 5÷6 m v kính D1 < 1,2 m , giới hạn cột nước lớn nhất là 10 m và đường kính D1 = 1,6m. Sở dĩ có giới hạn sử dụng trên vì khi cột nước và đường kính lớn thì kích thước của buồng rất lớn, trục turbine dài và áp lực nước trên thành buồng sẽ lớn. Vì vậy loại buồng này chỉ Hình 2-4. Buồng turbine hở . dùng cho turbine nhỏ. Buồng hở có thể làm bằng gỗ, gạch hoặc đá xây hay bằng bêtông Buồng hở có thể trục đứng hoặc trục ngang và hở chử nhật hoặc hở xoắn. Buồng hở chữ nh tạo nên dòng xoáy ở các góc làm tăng tổn thất cột nước. Để khắc phục nhượật dễ c điểm n ở. Chiều dài và chi 1 ày nên dùng buồng hở xoắn. Hình 2-4 thể hiện hình thức các loại buồng h ều rộng của buồng lấy theo kinh nghiệm A = B = (3- 4).D , độ nhúng nhieu.dcct@gmail.com 21 hmin ≥ m đến 25÷30 m. Buồng này được m bằng ki g dòng 4 dẫn nư dạng ứ c turbine 11 ổ ine tâm trục t n của b th đường kính tiêu chuẩ của BXCT D1, khoả (2,8 -3,5)D1 , chiều dài buồng khoảng (2,5 - 3)D1. tối thiểu của nắp TB so với mực nước nhỏ nhất trong buồng: (0,9 -1)D1. II. 2. 2. Buồng hình ống Loại này thường dùng với cột nước H = 6÷7 là m loại chứa các bộ phận của turbine (hình 2-5): chóp nón hướn ớc vào thuận dòng, các cánh hướng dòng 1, BXCT đặt phía trong CCHD. Hình của buồng giống một nồi xúpde, nửa trước 5 nối với ống áp lực 7, nửa sau 2 ch a cụm BXCT và nối với đoạn khuỷu cong 8 của ống xả 12. Trụ trục 10 đưa ra ngoài buồng và đặt nằm ngang. Loại này dùng với turb rục ngang, loại turbine nhỏ. Đườ g kính lớn nhất uồng lấy eo ng . 2. 3. Buồng xoắn ốc ày bảo ine nhỏ và đảm bảo chế t iết diện tròn. uồng xoắn l góc ết diện cửa ra ( r v ϕ max). Khi ϕ max = 3450÷3600 thì gọi là góc bao hoàn toàn (hình 2-7,a), còn ϕ max < 3450 gọi là Hình 2-5.Buồng turbine hình ống II Buồng xoắn (hình 2-6) là loại được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Loại buồng n đảm dẫn nước vào TB với kích thước mặt bằng của turb độ thủy lực tốt nhất.Phụ thuộc vào cột nước buồng xoắn có thể làm bằng bê tông hoặc kim loại. Buồng bêtông cốt thép được dùng với cột nước H ≤ 40 m, mặt cắt đa giác. Khi H > 40 m hường dùng buồng xoắn kim loại hoặc bê tông cốt thép t Phân loại b tùy thuộc vào góc bao max ϕ max của buồng xoắn , đây à được tính từ ti ϕ = 0) đến tiết diện cửa vào của buồng xoắn (ϕ = buồng xoắn không hoàn toàn ( hình 2-6,c ). nhieu.dcct@gmail.com 22 rộng gian máy đã cho ) phụ thuộc vào quan hệ giữa tiết diện cửa ào buồng xoắn đã chọn góc bao. Khi tiết diện cửa vào đã chọn, nếu tăng góc bao, một đ y đối í n b i nhất . Kinh nghiệm cho thấy, chiều rộng gian máy là nhỏ nhất khi buồng xoắn có góc ao ϕ m 0 ộ ảm thành ự à cao do lưu lượng tương đối nhỏ, nêncó thể ch n góc bao l n hơn: từ ϕm x = 270 ÷345 . Với trạm thuỷ điện đường dẫn và sau đập chọn buồng xoắn góc bao lớn sẽ tiện cho việc ối tiếp giữa ường ống áp lực với buồ g xoắn. Kết quả thí nghiệm mô hình cho thấy, tổn thất năng lượng trong turbine, vòng bệ và CCHD ( khi chiều v mặt sẽ làm cho dòng chảy phân bố đều chu vi CCHD, bảo đảm ược dòng chả ứng trong turbine, nh ần xoắn và hình x ưng lại làm tăng vận tốc dòng nước trong ph ả nthành dòng chảy xoáy, kết qu làm tăng tổ thất năng lượng trong CCHD. Qua th nghiệm mô hình BXCT đã chọ với các loại uồng xoắn khác nhau người ta lựa chọn loại buồng xoắn lợ b ax = 180 .Vì vậy đối với TTĐ có c t nước thấp ( kiểu lòng sông ) để gi xây d 0 0ng TTĐ nên chọn góc bao 180 ÷192 . Đối với TTĐ có cột nước trung bình v 0 0ọ ớ a n đ n Hình 2-6. Buồng xoắn Khi cột nước H ≤ 80 m và góc bao ϕmax = 2700÷3450 có thể sử dụng buồng xoắn tiết diện tròn hoặc chữ T. Buồng xoắn kim loại thường có góc bao ϕmax = 3450. Hình dạng tiết diện vào buồng xoắn: Đối với turbine dọc trục cột nước thấp và vừa thường dùng buồng xoắn có tiết diện chữ T hoặc hình thang, còn đối với TTĐ cột nước cao 50÷80 m thì tiết diện là hình tròn hoặc ellipse. Hình dạng tiết diện buồng xoắn còn phụ thuộc vào điều kiện cụ thể xây dựng nhà máy của TTĐ. Trong điều kiện góc bao như nhau, buồng có tiết diện hình thang bảo đảm kích thước mặt bằng của gian tổ máy nhỏ nhấ rộng b/a của tiết diện càng lớ t, còn tiết diện tròn sẽ lớn nhất và tỉ số chiều cao trên chiều n thì mặt bằng gian máy càng nhỏ. nhieu.dcct@gmail.com 23 Tỉ lệ giữa chiều cao và chiều rộng a tiết diện hình chữ T (hình 2-7) nên chọn theo cấ bằng, kiểu phát triển lên trên so với kết hợp và nếu động cơ tiếp lực đặt ngay trên nắp turbin mà không bố trí ở hầm turbine. Các góc γ và δ hì điều kiện thủy lực trong buồng sẽ kém và khó b ì tăng khoảng cách ục tổ máy. Kiến nghị dùng như sau: δ = 20÷350 và thường lấy 300. Nói chung, khi ≤ n n thì γ = 1 khác kiến nghị chọn như sau: khi m = 0 hoặc n = 0, b/a = 1,5÷1,85. Khi m và n ≠ 0 thì củ u tạo của buồng xoắn, có thể chọn kiểu trần trục của CCHD kiểu phát triển xuống dưới hoặc kiểu sàn bằng. Các trị số m và n chủ yếu lựa theo yêu cầu bố trí phần dưới nước của nhà máy, nó không ảnh hưởng mấy đến điều kiện thủy lực. Khi n = 0 (tức trần bằng) hoặc m > n thì có thể giảm thể tích khối bê tông phần dưới nước của nhà máy và dễ bố trí động cơ tiếp lực và có thể rút ngắn khoảng cách giữa các trục tổ máy. Tiết diện chữ T phát triển lên trên so với trục CCHN chỉ nên dùng khi ở phía dưới buồng xoắn có bố trí đường hầm xả nước của TTĐ xả lũ không nên quá nhỏ, vì nếu lấy quá nhỏ t ố trí động cơ tiếp lực, nếu quá lớn th tr m thì γ = 20÷350 còn khi m > 0÷200; khi n = 0, γ = 10÷150. Các giá trị b / a không quá 2÷2,2. Theo quan điểm thủy lực thì tiết diện chữ T đối xứng hoặc gần đối xứng có tốt hơn chút ít. Hình 2-7. Các ti ện c ữ T củ ồng xoắn bê tông. ta giả thiết: là dòng ết di h a bu Buồng xoắn làm nhiệm vụ dẫn nước vào BXCT và hình thành đặc tính của dòng chảy trước mép vào CCHD. Để thiết kế buồng xoắn người - Dòng chảy trong buồng xoắn là dòng chảy dừng, đối xứng qua trục quay và thế; lưu lượng qua tiết diện bất kỳ Q lấy theo góc i iϕ là: i tt iQ Q= ϕ ; 0360 - Dòng chảy được coi là tổng hợp của dòng chảy thẳng và dòng xoáy, đ Γ π ặc trưng bởi lưu lượng Q và lưu số = 2 RV, giả thiết khi thay đổi chế độ làm việc thì Q và Γ thay nhieu.dcct@gmail.com 24 đổi sao ành phần vận tốc hướng m Cr cho các đường dòng trong buồng xoắn không đổi. Th tâ phân bố đều theo chu tuyến trước mép vào cánh hướng dòng: Cr = tt a Q D bπ 0 ; (trong đó: Qtt là lưu lượng của turbine, Da là đường kính ngoài của cánh hướng dòng, b0 là chiều cao cánh hướng dòng). Việc tính toán kích thước buồng xoắn tiến hành trên cơ sở turbine đã được chọn, tìm ra kích thước mặt cắt và quan hệ giữa chúng và góc. Hiện nay có những phơng pháp tính toán sau: * Phương pháp mômen tốc độ vòng là hằng số Vu.r = K; Phương pháp này dòng hảy đố ó được áp dụng đối c i xứng qua trục, dòng có thế và bỏ qua tổn thất dòng chảy. N với buồng xoắn có góc bao maxϕ = −180 3600 , vì nếu góc nhỏ hơn thì điều kiện dòng về toán là hằng số Vu = K; Phương pháp này giả thiết tốc độ ư nhau. Nó chưa đủ lập luận khi ành lập vì nó có những thiếu sót sau: + Dòng chảy tính toán theo phương pháp này không hoàn toàn phù hợp thực tế; Tuy nhiên qua nghiên cứu thấy đối vớ iều kiện xo ương pháp này phù hợp hơn ng pháp Vì g pháp n ho T ước thấp, b ng xoắn bê tông góc bao nhỏ giai đoạn thiết kế ộ. * Ph ng pháp tốc độ vòng giảm dần từ cửa vào Vu đến cửa ra từ (0,6÷0,8)Vu; Phương pháp này có nh c điểm là tính đối xứng của dòng chảy bị phá h i, nhưng giảm thước b xoắn. V ó chỉ dùn ine cột n . ồng xoắn theo hai phương pháp đầu. chảy sẽ không còn đối xứng qua trục. Phương pháp này khá chính xác và thuận học nên được áp dụng rộng rãi; * Phương pháp tốc độ vòng vòng bình quân ở các mặt cắt ngang buồng xoắn đều nh th + Góc bao càng lớn thì càng không phù hợp. i góc bao không V đủ đ vậy phươn ắn thì ph ày dùng tốt cphươ u.r = K. TĐ có cột n uồ và sơ b ươ ượ oạ nhỏ kích uồng ì vậy n g với turb ước thấp quá lớn Sau đây chúng ta nghiên cứu cách tính bu 1. Tính toán thuỷ lực mặt cắt buồng xoắn theo phương pháp Vu.r = K Bước này được thực hiện sau khi đã chọn góc bao maxϕ và hình thức buồng xoắn. Dựa vào nguyên tắc đã nêu ta đi thành lập công thức chung: là tốc độ trung = k Gọi ttQ là lưu lượng lớn nhất qua mỗi turbine; bình trong mặt cắt buồng xoắn, xác định theo: tbV tbV H ( H = 2m thì k = 1; H = 300m thì k = 0,5) hoặc theo đồ thị (hình 2-9,a). ới yêu c hu vi cơ cấu hướng dòng, vì vậy nếu gọ là góc nào đó ứng với tiết diện cần tìm thì lưu lượng qua nó là V ầu lưu lượng phân bố đều c i iϕ i tt iQ Q= ϕ 0360 , diện tích mặt cắt tương ứng là i i tb tt i tb F Q V Q V = = .. ϕ 360 ; tương tự với maxϕ ta có: max max.F Q V tt tb = ϕ 360 . Nếu cắt một dãi bất kỳ có bề rộng dr, chiều đứng b thì diện tích phân tố dF = b.dr, vậy: nhieu.dcct@gmail.com 25 ; vì Vu.r = K nên Vu = K/r, vậy ta có: i u ra Ri ra Ri Q dQ V b dr= = ∫∫ . . i ra Ri ra Ri tt iQ K r bdr K b r dr Q= ∫ = ∫ = 360 ϕ ( 2-1 ) Hình 2.8. Sơ đồ lập công thức tính toán buồng xoắn. Sau đây ta áp dụng những công thức trên để tính toán cụ thể cho hai loại buồng xoắn: ặt cắt tròn ( hoặc ellipsse) và buồng xoắn mặt cắt đa giác. ròn (hoặc ellipsse): h 2-9,b), nghĩa là phải xác định ra được quan hệ m a. Tính toán buồng xoắn mặt cắt t Nội dung của việc tính toán buồng xoắn là vẽ ra được đường bao xoắn và xác định mặt cắt ngang của buồng xoắn (hìn giữa góc iϕ , bán kính Ri và diện tích mặt cắt ngang tương ứng Fi. Từ (2-1) đặt i ra S r dr= ∫ , vậy Qi = K.Si và K = Qi/Si, vì K = hằng ố nên K = Ri b s max max Q S ttGọi bán kính măt cắt cửa vào (ứng với ϕmax ) là ρmax = uV . .π Q . maxϕ 360 , y Coi là tiết diện tròn nên ρi2 = ( bi/2 )2 + ( ri - a)2, rút ra bi và thay vào Si ta có Si và tha vào (3-1) ta có góc : i ttQ Kϕ π= 720 . . ( )[ ] ( )[ ] Trong a a a a a a÷ − ÷ = ÷ − ÷ρ ρ ρ ρ2 r r r c r r r2 công thức c = ( 720.K.π) / Qtt = hằng số. Giải phương trình iϕ ta có được : i i r ϕ= ÷ 2 a ic cρ ϕ (2-2) Từ (2-2) nế định ra ta sẽ tìm ra u biết c mà iϕ iρ . Dựa vào điều kiện biên cửa vào, có: ở nhieu.dcct@gmail.com c = ( )maxmax maxρ ρa a ar r r÷ − ÷ 2 = hằng số (2-3) ϕ Đã có hằng số c ta ịnh ra các góc iϕ đ và lập bảng tính ( bảng 2-2 ) sau: Bảng 2-2. Bảng tính toán xác định kích thước buồng xoắn tròn ( hoặc ellipsse) iρ 2 26 iϕ i c ϕ 2 a ir c ϕ 2 a ir c ϕ iρ i i aR r= ÷2 ρ Các bước tính toán lập bảng 2-2 như sau: - Chọn góc bao maxϕ như đã trình bày trên; - Từ bảng 3 tra ra kích thước đường kính trong và ngoài của vòng bệ CCHD; - Xác định mặt cắt buồng xoắn cửa vào Fmax định ra ρmax tính ra hằng số c theo (2-3) - Định ra các góc ϕi từ 0 đến ϕmax và tương ứng tính ra ρi theo (2-2) và xác định Ri. ừ quan hệ ϕi ~ Ri vẽ ra đường xoắn và từ quan hệ ρi ~ Ri vẽ mặt cắt ngang tương ứng em (hình 2-9,b). T x Hình 2-9. Tính toán buồng xoắn mặt cắt tròn hoặc ellipse. b. Tính toán buồng xoắn mặt cắt đa giác Từ lưu lượng lớn nhất ở cửa vào buồng xoắn Qmax và kinh nghiệm chọn được chi tiết kích thước ( m, n, bo , tỷ số b/a, các góc δ ,γ ) tính ra diện tích mặt cắt cửa vào Fmax và dựa vào tốc độ trung bình Vu định ra mặt cắt lớn nhất. Các mặt cắt khác coi như xếp chồng tỳ lên từ Rmax đến ra trên các đường AC và EH ứng với các Ri khác nhau nhieu.dcct@gmail.com (hình 2-10). AC và EH có thể quan niệm theo đường thẳng hoặc đường cong bậc hai hoặc ba.Thực tế quan niệm đường cong hợp lý hơn. Sau đây là cách tiến hành tính toán: Hình 2-10. Sơ đồ tính buồng xoắn đa giác. Từ Qi = K.Si ta cần tìm i ra Ri S b r dr= ∫ . Ta có thể dùng phương pháp đồ giải để xác định Si là diện tích của b/r và r. Do vậy trước tiên ta cần phải vẽ các đường quan hệ r ~ b/r ( là các đường mnab của mặt c cửa vào, đường miniab của mặt cắt thứ i, ..v.v... ) dựa theo tính toán ở bảng tính 2-3. Cách tính toán như sau: - Ứng với mặt cắt cửa vào ABCHDE ta định các ri ( từ Rv đến rb ) và tương ứng đo được bi rồi tính ra bi/ri, dùng cột r ~ b/r vẽ ra các đường mnab (hình 2-10); Hình 2-9a 27 nhieu.dcct@gmail.com 28 - Ứng với mặt cắt khác ta cũng làm tương tự và dùng cột r ~ b/r vẽ các đường khác. Đo diện tích giới hạn giữa các đường vừa vẽ và trục r ta sẽ có được Si tương ứng. Với Smax ta tính ra được hằng số K = Qmax/Smax và tính ra ϕi theo công thức: i iS S ϕ ϕ= max max . (2-4) Bảng 2-3. Bảng tính toán buồng xoắn đa giác r Rv R4 ... ...... ra rb Mặt cắt ABCHDE b bv b0 b0 b/r r R4 R3 ra rb M. cắt A'B'CHD'E' b bi b0 b0 b/r bi/ri r Mặt cắt ...... b b/r ẽ được quan hệ r ~ Q. ra được V = Q/F và vẽ được r ~ V. ập bảng tính các quan hệ ϕ ~ ~ R ( bảng 2-4 ): Để tiện tính toán xác định các mặt cắt bất kỳ nào đó ta tiến hành vẽ đồ thị quan hệ ϕ ~ r, Q ~ r và V ~ r . Cách vẽ các đường này như sau: - Với mỗi r ta có S và dựa vào (3-4) ta tính được ϕ và vẽ được quan hệ ϕ ~ r. - Với mỗi ϕ có r và tính ra Q = Qtt.ϕ / 360 và v - Với từng r có Q và đo được diện tích F, tính Từ các đường này ta dễ dàng tra và vẽ đường xoắn và mặt cắt buồng xoắn. 2. Tính toán buồng xoắn theo phương pháp Vtb = K Trong tính toán buồng xoắn theo quy luật Vu.r = K cho ta vận tốc trung bình tại các tiết diện sẽ khác nhau, điều này dẫn đến tổn thất thuỷ lực dọc chiều dài buồng xoắn khác nhau như vậy trị số cột nước khác nhau, gây nên tải trọng lên BXCT không đều làm mòn ổ trục và gây rung động máy. Cột nước càng thấp thì càng ảnh hưởng xấu này càng lớn, do vậy A.A Berêrơnôi đưa ra phương pháp tính này. Phương pháp sử dụng được áp dụng với H < 40 m. Phương pháp Vtb = K coi tốc độ dòng nước qua các mặt cắt buồng xoắn không đổi và bằng Vtb có thể lấy theo biểu đồ (hình 2-9,a). a. Tính toán với buồng xoắn mặt cắt tròn ( hoặc ellipsse) Nội dung và các bước tính toán: - Chọn góc bao của buồng xoắn, thường với mặt cắt tròn và ellipsse lấy lớn; - Sơ bộ xác định các kích thước vòng bệ và CCHD, có thể lấy theo các bảng 2-1 và các bảng 6-5, 6-6 ở chương VI. - L ρ nhieu.dcct@gmail.com 29 Bảng 2-4. Bảng tính toán buồng xoắn mặt cắt tròn theo V = hằng số Mặt cắt ϕ ρ a = ra + ρ R = 2ρ + ra 1 2 3 4 5 Cửa ra 0 0 ra ra . . Cửa vào ϕmax ρ max ra + ρmax R = 2ρmax + ra Nội dung và các bước tính toán: Cột 1: ghi tên mặt cắt tương ứng với góc ϕ , từ mặt cắt cửa ra đến mặt cắt cửa vào; Cột ϕ ϕ2: định góc , lấy từ mặt cắt cửa ra = 0 đến mặt cắt cửa vào ϕmax, lấy cách nhau giưã các mặt cắt chừng 450; Cột 3: Bán kính mặt cắt tròn ( hoặc bán kính nhỏ của ellipsse ) tính theo công thức: max maxρ ϕπ= tt u Q V360 (2-5) i tt i u iQ V ρ ϕ ϕπ ϕ ρ ϕ ϕ= = . . .max max max max360 (2-6) Hình 2-11. Tính toán buồng xoắn mắt cắt tròn (ellipsse) và đa giác. Cột 4: Tính i i aa r= ÷ρ Cột 5: Tính ra bán kính i i aR r= ÷2 ρ Từ số liệu hai cột 2 và 5 vẽ được đường xoắn. Từ số liẹu cột 4 và 5 vẽ được kích thước các mặt cắt ngang của từng tiết diện (hình 2-11,a). nhieu.dcct@gmail.com 30 b. Tính toán buồng xoắn đa giác Việc tính toán buồng xoắn mặt cắt đa giác theo phương pháp Vtb = K tiến hành các bước (xem hình 2-11,b) dưới đây: - Chọn góc bao ϕmax và hình thức mặt cắt như đã trình bày ở các phần trước; - Tra các bảng 2-1, 6-5 và 6-6 để xác định các kích thước b0, Da, D ; - Dựa vào Qtt và Vtb tra ra tiết diện mặt cắt cửa vào buồng TB: b max max. .F Q V tt tb = ϕ 360 , có Fmax dựa kính nghiệm chọn các kích thước: b/a, γ, δ sao cho diện tích mặt cắt cửa vào đúng bằng diện tích Fmax; - Lập bảng tính toán (bảng 2-5) xác định quan hệ R ~ F ~ ϕ: Cột 1: Đặt tên cho các mặt cắt buồng xoắn: từ mặt cắt cửa vào đến mặt cắt cửa ra; Cột 2: Chọn quy luật thay đổi đường tỳ của các mặt cắt là đường thẳng hoặc parboll, Định các bán kính R từ bán kính cửa vào Rmax đến bán kính cửa ra rb; Cột 3: Đo diện tích mặt cắt Fi tương ứng với Ri ( phần gạch chéo ) và ghi vào cột 3; Bảng 2-5. B = hằng số ảng tính buồng xoắn đa giác theo V Tên mặt cắt Ri Fi iϕ 1 2 3 4 Cửa vào maxR maxF maxϕ . . . . . . . . Cửa ra br 0 0 Cột 4: Từ công thức tính diện tích mặt cắt cưả vào và mặt cắt thứ i Fi : maxF max max. .V tb Qtt= ϕF 360 i tt i tb lập tỷ lệ Fi/Fmax ta có F V = .360 Q .ϕ ( )i iF F if Rϕ ϕ= = ma max x (2-7), là quan hệ đường thẳng, do vậy có Fi tính ra tương ứng iϕ , ghi vào cột 4. Đ n s a v ng ra ờng quan h ϕ ) và vào h R đ o b ự F ~ mặ nga a xo ể tiệ ử ng quan dụ ta ệ ϕ ~ dự à để vẽ o bả 7 ường x vẽ cá ắn của c đư ệ F ~ a vào q ~ R (hình 2- uan hệ11,b dựa uồng, d ϕ ~ R vẽ t cắt ng củ buồng ắn. nhieu.dcct@gmail.com 31 II. 3. T Thiế út) là bộ phận không thể thiếu ở turbine với tổn thất năng lượng n - Sử dụng òng chảy sau khi ra khỏi BXCT; ước tĩnh Hs (gọi là độ chân không tĩnh) tính từ mặt cắt cửa ra BXCT HIẾT BỊ THÁO NƯỚC CỦA TURBINE THUỶ LỰC t bị tháo nươc (ống xả hay còn gọi là ống h phản kích. Nó có nhiệm vụ tháo nước từ BXCT xuống hạ lưu hỏ nhất. Ngoài ra ống xả trong turbine phản kích có những tác dụng sau đây: thêm phần lớn động năng còn lại của d - Tận dụng thêm cột n đến mực nước hạ lưu ở hầm xả nước. Để xác định giá trị và ý nghĩa của ống xả ta viết phương trình năng lượng cho 3 trường hợp: không có ống xả, ống xả trụ tròn và ống xả hình nón cụt (hình 2-12) rồi so sánh . Hình 2-12. Các sơ đồ tính toán so sánh vai trò ống xả. Viết phương trình Becnuly cho trườ hợp a) không có ống xả cho hai mặt cắt ở mặt thoáng 1-1 và mặt cắt cửa ra BXCT 3-3, lấy mực nước ở kênh tháo 0-0 làm chuẩn nếu bỏ qua tôn thất cột nước trong buồng h và vì áp lực ở mặt thoáng 1-1 và 3-3 đều bằng áp suất khí trời p1 = p3 = pat , vận tốc c chảy trên mặt thoáng 1-1 coi như bằng không V1= 0, vậy cột nước có thể sử dụng được là Ha: ng ở nướ a o oH E E p Z p V g Z Z Z V g = − = ÷ − ÷ ÷ = − −1 3 1 3 3 3 2 3 3 3 3 2 2 2γ γ α α ( ) Viết phương trình Becnuli cho trường hợp c) có ống hút cho hai mặt cắt 1-1 và mặt cắt cửa ra ống xả 5-5, có tính đến tổn thất cột nước h3-5 của ống xả, ta có cột nước mà turbine có thể sử dụng được là Hc: c o at oH E E p Z Z p Z V h Z V g h = − = ÷ − ÷ ÷ − ÷⎛⎝ ⎜⎜ ⎞ ⎠ ⎟⎟ = − −− −1 5 1 5 5 5 5 2 3 5 5 5 2 3 52γ γ α α α Lấy Hc trừ cho Ha ta có được cột nước t ng thêm ∆H do có lắp thêm ống xả so với trường hợp không lắp ống xả: γ ă ∆H H H Z V Vg hc a= − = ÷ − − −3 3 3 2 5 5 2 3 52 α α (2-8) Trong đó chỉ số 3 tương ứng với c ống xả (hay lấy gần đúng là cửa ra BXC thu ồi do 3 độ ại, gọi là “độ chân không ửa vào T), chỉ số 5 tương ứng cửa ra của ống xả. Từ công thức ∆H ta thấy: năng lượng ống xả gồm: thành thứ nhất là thêm cột nước tĩnh Z ký hiệu là Hs gọi là ” h chân không tĩnh ”, thành phần thứ hai bao gồm hai phần còn l nhieu.dcct@gmail.com 32 động”. Thành phần thứ nhất có liên quan đến thiết kế công trình, cụ thể là việc chọn cao trình đặt turbine, thành phần thứ hai gắn liền với cấu tạo của ống xả. Hiệu suất ống xả được biểu thị qua hiệu quả thu hồi động năng ở cửa ra BXCT sau: η α α αox V V g h V g = − − < −3 3 5 5 3 5 3 3 2 2 2 1 Từ công thức trên ta thấy khi động năng ở cửa ra BXCT là đã biết , muốn hiệu suất ống xả tăng thì phải tìm cách tăng “độ chân không động” bằng những khả năng : - Giảm vận tốc ở cửa ra ống xả V 2 2 5 nghĩa là tiết diện cửa ra D5 phải lớn hơn tiết diện ở cửa vào D3. Nếu tiết diện cửa vào bằng hoặc lớn cửa ra thì dẫn tới hiệu suất âm. - Giảm tổn thất thủy lực h3-5 trong ống xả. Hai khả năng trên có liên quan trực tiếp lẫn nhau, mở rộng tiết diện cửa ra càng lớn với mong muốn thu hồi động năng càng nhiều thì lại làm tăng tổn thất thủy lực trong ống xả và ngược lại. Do vậy cần lựa chọn hợp lý về tiết diện và chiều dài, góc côn của ống xả, đồng thời xét đến điều kiện kết cấu, khối lượng phần dưới nước ..v..v. Trong thực tế phát sinh những loại ống xả khác nhau (hình 2-13) : Hình 2-13. Các loại ống xả - Ống xả trục thẳng: ống xả hình nón cụt (hình 1 trong hình 2-13) và ống xả trục thẳng có tiết diện thay đổi ( hình 12 va13 trong hình 2-13); - Ống xả loe: ống xả loe thẳng ( hình 2 ), ống xả loe kín ( hình 3 trong hình 2-13); - Ống xả loe lỏi giữa ( hình 4 trong hình 2-13); - Ống xả cong ( hình 5,6,7 trong hình 2-13); - Ống xả khuỷu dùng cho turbine nhỏ trục ngang (hình 8,9,10,11 trong hình 2-13). nhieu.dcct@gmail.com Sau đây chúng ta xem xét một số loại ống xả thường gặp hơn cả trong thực tế. II. 3. 1. Ống xả hình nón cụt 33 loe θ và tỷ s xả đạt từ giảm V5 sẽ tăng c ống xả cần phải xem xé h = yD5; b = xD5 ; c = 0,85b Để tránh không khí chui vào ống làm mất tác dụng hút của ống xả, cần bảo đảm mép dưới ống hút ngập sâu cách m ể giảm chiều sâu đào phần dưới nước, người ta cải tiến ống xả nón cụt bằng việc tạo phần Xét về mặt thủy lực ống xả hình nón cụt là loại ống xả tốt hơn cả so với các loại ống xả kể trên và nó cũng là loại có cấu tạo đơn giản. Tuy nhiên nó chỉ được dùng trong turbine phản kích trục đứng cở nhỏ và trung bình và turbine dòng. Nó thuộc loại ống mở rộng dạng chóp cụt với góc loe θ (hình 2-14,a). Loại ống này có tổn thất thủy lực nhỏ nhất nên hiệu suất cao, có thể đạt tới 85%. Tổn thất thủy lực tùy thuộc vào góc ố giữa chiều dài L và đường kính cửa vào D3 của ống xả. Thí nghiệm mô hình cho kế quả rằng góc loe θ = (10÷14)0 và L/D3 = (3÷4) thì hiệu suất ốngt 60÷85%. Việc giữ góc loe trong phạm vi có lợi nhưng lại kéo dài L để hối xây lắp phần dưới nước của nhà máy. Do vậy việc chọn kích thướk t cả về mặt hiệu suất lẫn khối lượng đào và xây lắp phần dưới nước của nhà máy. Việc quyết định kích thước kênh xả hạ lưu còn cần phải đảm bảo đủ kích thước để dễ thoát nước từ ống xả về hạ lưu. Các kích thước sau đây (hình 2-14,c) tối thiểu phải bằng: ặt nước hạ lưu trong hầm xả ít nhất từ 0,3÷0,5 m. Đ Ống xả hình nón cụt. o do mở rộng cửa ra đột ệu suất th ng. Ống xả hình cong: r ốc lớn. Cũng Hình 2-14. loa kèn đ ạn dưới của ống xả (hình 2-14,b). Tuy nhiên loại này ngột nên hi ấp hơn và phức tạp hơn nên ít sử dụ II. 3. 2. Ống xả hình cong (hình 2-15) gồm ba đoạn: đoạn nón cụt A đứng, đoạn khuỷu cong phức tạp B và đoạn mở ộng nằm ngang C. Đoạn nón cụt : quá trình biến đổi động năng dòng nước thành áp năng chủ yếu xảy ra ở đoạn này của ống xả. Đo đó việc chọn chính xác kích thước đoạn nón này có ý nghĩa rất lớn đối với đặc tính năng lượng của TB nhất là đối với TB có tỷ t nhieu.dcct@gmail.com 34 nh ạn n o n nón cụt và ạn m m ngang có cấu tạo và kích thước biến đổi phức tạp: tiết diện vào của đoạn khuỷu có dạng hình tròn, i nh chữ n t tại c a ra c 0. nón ảy ở tiết diện vào của khuỷu và hình dạng của nó. Lực li tâm sinh ra khi dòng nước chảy vòng trong đoạn khuỷu sẽ gây nên sự tách dòng và tăng thêm tổn thất. Bán kính chuyển động xoay của dòng nước càng lớn thì lực li tâm và građiên áp lực trong dòng chảy càng nhỏ. Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến tổn ăng lượng trong đoạn khuỷu là tỷ số giữa diện này và sự thay đổi diện tích tiết diện men theo hiều dài của nó. Ở Liên xô cũ người ta đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm với 3 iết diện ngang tăng dần; khuỷu có iện tích tiết diện không đổi và khuỷu có diện tích tiết diện tăng dần rồi đến đoạn nằm ư ống xả nón cụt, tổn thất năng lượng trong đoạn ống này phụ thuộc vào góc loe và độ cao tương đối h / D3 và độ mở rộng của đoạn ống này. Đoạn cong: là đo ối tiếp giữa đ ạ đo ở rộng nằ sau đó biến đổi dần sang t ết diện hì hậ ử ủa nó với góc quay 90 Trị số tổn thất năng lượng trong khuỷu không lớn hơn so với tổn thất t cụt và trong đoạn nằm ngang. Tổn thất ở đây phụ thuộc vào sự phân bố dòng ch rong thất n a đoạntích cửa ra và diện tích cửa vào củ c dạng khuỷu khác nhau sau đây: khuỷu có diện tích t d ngang gần tiếp giáp với đoạn mở rộng nằm ngang thì giảm dần. Kết quả cho thấy loại khuỷu sau cùng tốt hơn hai loại trên. Hình 2-15. Ống xả hình cong. Đoạn mở rộng nằm ngang: Ở đoạn này, ống xả vẫn còn tiếp tục biến đổi động năng thành áp năng, nhưng tác dụng phục hồi năng lượng ở đây nh chữ nhật. Sự m ỏ hơn ở đoạn nón ở rộng dòng chảy ở ần của nó theo góc nghiêng α từ 0 ÷130 còn chiều rộng B5 không thay đổi. ộ dựa vào hệ số tỷ tốc và kiểu cụt. Tiết diện ngang của đoạn mở rộng có dạng hình đoạn này được thực hiện nhờ biện pháp nâng cao dần tr 1 Đối với ống hút dạng cong, trong thiết kế sơ b turbine ta có thể tra ra loại ống xả (bảng 2-6, hình 2-15) nhieu.dcct@gmail.com 35 ảng 2-6. Kích thước chính của ống xả cong ( đơn v Kiểu B ị ghi: m ) Kích thước tính với đường kính BXCT D1 = 1m Sử dụng D1 h L B5 D4 h4 h0 L1 h5 4A 1,0 1,915 3,50 2,20 1,10 1,10 0,55 1,417 1,00 (a) 4C 1,0 2,30 4,50 2,38 1,17 1,17 0,584 1,50 1,20 (b) 4E 1,0 2,50 4,50 2,50 1,23 1,23 0,617 1,59 1,20 (c) 4H 1,0 2,50 4,50 2,74 1,352 1,352 0,67 1,75 1,31 (d) 4H1 1,0 2,7 4,50 2,74 1,352 1,352 0,67 1,75 1,31 (e) 20 1,0 2,3 3,50 2,17 1,04 1,04 0,51 1,41 0,937 (g) Ghi chú: - Bảng 2-6 ghi kích thước của ống xả có ường kính BXCT D1 = 1m, kích thước ống xả của turbine có đường kính D1 ≠ 1m sẽ bằ g kích thước trong bảng nhân với D1; - Phạm vi sử dụng ứng với kí hiệu trong ng 2-6: (a): cho các kiểu turbine: CQ30, CQ40, (CQ577, CQ587 hệ cũ có tỷ tốc thấp); (b): cho các kiểu turbine: CQ20, CQ30, (CQ577, CQ510 hệ cũ có tỷ tốc trung bình); (c): cho các kiểu turbine: CQ10, CQ15, (TT82, TT638 hệ cũ nếu h = 2,3D1 và CQ510, CQ592 hệ cũ có tỷ tốc trung bình và cao); (d) TT211, TT123 hệ cũ có (e): cho các kiểu turbine: CQ10, (CQ510 hệ cũ có tỷ tốc cao); 230, TT300, TT400, TT500, u ả khu điệ đ n bả : cho các kiểu turbine: TT15, TT75, TT115, TT170, (TT638, TT82, tỷ tốc trung bình và cao); (g): cho các kiểu turbine: cho các kiểu turbine: TT (TT533, TT246 hệ cũ có tỷ tốc thấp). II. 4. 3. Ống xả khuỷu Turbine nhỏ trục ngang thường dùng ống xả khuỷu cong. Dòng nước sau khi ra khỏi BXCT có phương song song với trục TB và đi vào phần trên của khuỷu. Sau đó dòng nước lại đi vào phần dưới của khuỷu cong 1 và bị đổi hướng từ ngang sang đoạn côn thẳng đứng 2 hoặc xiên góc với phương thẳng đứng ( hình 2-139,11 và 2-16): Ống xả khuỷu cong (hình 2-17) gồm đoạn khuỷu cong 2 nối với buồng hình ống 1 và đoạn hình nón cụt thẳng đứng 5. Do đổi hướng dòng chảy gần 90 độ khi qua nó, và trường hợp nếu có trục xuyên qua khuỷu thì dòng chảy còn bị khuấy ... do vậy loại này tổn thất thuỷ lực lớn dẫn đến hiệ suất ống xả giảm thấp xuống còn 40 - 45%.Vì vậy loại ống x ỷu dùng cho tổ máy trục ngang thuỷ n nhỏ. Đối với turbine nhỏ nón cut trục đứng và ống hút trục ngang dựa vào tài liệu chế tạo cho sẵn trong khối turbine, do vậy có thể tra theo turbine cụ thể. nhieu.dcct@gmail.com Hình 2-16. Ống xả khuỷu. 36 nhieu.dcct@gmail.com 37 À TÁC HẠI CỦA NÓ ận TB sẽ bị rung động mạnh, hiệu suất, khả năng òng chảy tại những vùng có chân không xuất hiện. Nếu i hiệt độ và các phản ng các ọt khí. TB ên thường xảy ra n chỉ chiếm một vùng nh thực phát triên nhanh, bởi lẽ khi đó hiệu suất turbine hóng, tổ máy bị rung p ại, các chi ti e ở vùng xảy ra khí ặ ề c tăng tỷ số giữa bề dài và bước của cánh, nghĩa là tăng diện tích mặt ánh. ế công trình: cũng nh o hút nước Hs phải đảm bảo turbine vận hành không xảy ra khí thực trong mọi chế độ làm việc. Tuy Chương III. HIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC TRONG TURBINE THỦY LỰC III.1. HIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC V Khí thực là một hiện tượng vật lý phức tạp trong dòng chảy khi qua turbine. Khí thực phá hoại bề mặt các cánh BXCT và các bộ phận qua nước khác của TB. Khi xảy ra khí thực sẽ có tiếng động, các bộ ph thoát nước và công suất của TB sẽ bị giảm đột ngột. Một trong những nguyên nhân chính để xuất hiện khí thực là mạch động mạnh của áp động lực ở những vị trí d trong một khu vực nào đó của dòng chảy, áp lực lực giảm xuống đến áp lực hóa hơ (phh) thì tại đó nước sẽ bốc hơi và hình thành các bọt khí, trong đó chứa đầy không khí và hơi nước. Các bọt đó bị cuốn vào vùng có áp lực cao hơn áp lực hóa hơi, ở đó hơi nước bị ngưng tụ đột ngột với thể tích bé hơn rất nhiều lần so với thể tích của bọt khí. Vì vậy các phần tử nước ở xung quanh lập tức tràn vào lấp chỗ trống với vận tốc cực lớn. Tại trung tâm của các bọt khí, các phần tử đó gặp nhau và đột ngột dừng lại, làm áp lực đột biến tăng lên đến hàng trăm, hàng nghìn át mốt phe. Sau đó, vì va chạm mạnh ở trung tâm các bọt khí, các phần tử đó lại bắn trở ra làm cho áp lực ở trung tâm bọt khí cũ lại giảm xuống. Như vậy, áp lực tại điểm đó lại bị giao động theo thời gian và bị cộng hưởng và khi đó áp lực có thể đạt đến một trị số rất lớn: 1500 át mốt phe. Nếu các bọt khí xuất hiện gần bề mặt kim loại và bê tông tiếp xúc với dòng nước thì sẽ làm phá hoại các bề mặt đó như bị các viên đạn sắc nhọn bắn vào. Nếu các bọt khí không bị phá vỡ ở các bề mặt của phần dẫn dòng thì do có chấn động mạnh, và nước sẽ chuyển các chấn động đó đến các bề mặt của phần dẫn dòng cũng sẽ bị phá họai. Ngoài ra khi có khí thực còn thấy xuất hiện hiện tượng điện phân do chênh lệch n ứng hóa học làm cho kim loại nhanh chóng bị oxy hóa,bởi ôxy có rất nhiều tro b Trong turbine phản kích tại mép ra và bên dưới mặt cánhTB, tại buồng BXCT của cánh quay, vành BXCT turbine tâm trục là nơi có vận tốc lớn và áp lực bé n khí thực và bị khí thực phá hoại. Ở TB xung kích gáo, khí thực thường xảy ra ở vòi phun, nơi có vận tốc lớn và áp lực bé. III. 2. NHỮNG BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG KHÍ THỰC Khí thực xuất hiện cùng với việc tăng vận tốc của dòng chảy, đầu tiê ỏ, sau đó phát triễn thành vùng lớn hơn. Trong turbine không cho phép khí giảm nhanh c ết của turbinđộng mạnh có thể bị cộng hưởng làm há ho thực sẽ bị phá hoại. Cho nên từ khâu thiết kế đến việc lựa chọn turbine, bố trí lắp đặt và cuối cùng là vận hành turbine cần xem xét kỹ vấn đề này: - Trong việc thiết kế turbine: Các chi tiết là việc ở vùng dễ xảy ra khí m m thực nên là b dụ ng crôm chíằng kim loại có tính chống khí thực cao. Ví thép không rỉ có hàm lượ m từ 12÷14%. Ngoài ra, bề mặt các chi tiết đó cần chế tạo nhẵn để hạn chế bớt sự xuất hiện của khí thực. Mặt khác, để tăng đ c tính tốt v hống khí thực thì phải tăng số lượng cánh hay c - Về mặt thiết k Chọn loại BXCT ư chọn chiều ca nhieu.dcct@gmail.com hiên tro thự ế yêu cầu tu việc hoàn toàn không có khí thực thường không kinh tế áo turbine để sửa ự - Về mặt vận hành: nếu phát hiện khí thực p khắc phục. Một trong những biện pháp có hiệu a không khí có áp lực bằng hoặc cao hơn áp lực không kh bên goài ào vùn ưới BXCT càng gần trục turbine càng tốt. Một n ng c t rbine làm vì phải đặt turbine sâu nên làm tăng khối lượng phần dưới nước của nhà máy khá nhiều. Vì vậy nhà máy chế tạo turbine thường cho thêm một chiều dày kim loại dự trữ cho những bộ phận dẫn dòng của turbine có thể bị phá hoại do khí thực gây ra. Những bộ phận có thể thay thế bằng cách hàn tại chỗ mà không th chữa thì mới cho phép bị phá hoại do khí th c. như giảm hiệu suất đột ngột, tổ máy bị rung động mạnh thì cần tìm biện phá quả là mở van phá chân không để đư í n v g ngay d biện pháp khác để khắc phục khí thực là làm tăng tổn thất thủy lực ống xả. Biện pháp này tuy có làm giảm hiệu suất turbine tuy vậy nhưng lại tăng an toàn của turbine. Tóm lại để khắc phục hiện tượng khí thực phải có sự phối hợp tất cả các biện pháp trong chế tạo turbine, trong thiết kế lựa chọn và trong vận hành turbine. I. 3. ĐIỀU KIỆN XẢY RA KHÍ THỰC VÀ HỆ SỐ KHÍ THỰC Để thiết lập phương trình biểu thị điều kiện xảy ra khí thực trong vùng BXCT của turbine ta giả thiết có mặt cắt x - x (hình 3-1) nào đó, gần mếp ra 2 - 2, có xảy ra áp suất thấp. Xét một dòng nguyên tố qua turbinr và viết phương trình Becnulli cho hai mặt cắt x - x và 2 - 2: x x x x xZ p W U Zg g p W U h+ + − = + + − +g gγ γ − 2 2 2 2 2 2 2 2 22 2 2 2 Viết phương trình Becnulli cho mặt cắt 2-2 và 5-5: 2 2 2 2 2 5 2 2 2 5Z p C Z p C h+ + =− + + + − nhieu.dcct@II 38 2 2g gγ γ chú ý rằng 5 5 p Z p Baγ γ− = n 5 - 5. L ươ g trình thứ ha ơng trình thứ nhất Hình 3-1. ta được: = (áp suất khí trời). Trong ba công thức trên: hX-2 và h2-5 là tổn thất cột nước tương ứng x - x đến 2 - 2 và 2 - 2 đế ấy ph n i trừ phư a x W U− − +22 x xZ g h= + −⎝⎜⎜ ⎠⎟⎟−γ 52 , (3-1) p p V V W U− + −2 2 2 2 2 số y: ⎛ ⎞2 2 2 2 2 Trong công thức (3-1) gọi: xZ là "độ chân không tĩnh " hay " độ cao hút nước" và ký hiệu là HS = xZ ; phần trong hai dấu ngoặc là " độ chân không động". Gọi hệ số khí thực σ là tỷ giữa độ chân không động và cột nước H, vậ 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 52 V V U W U g h x − − + + − −⎛⎝ ⎜⎜ ⎞⎟⎟ =− σH (3-2) 2 W ⎠ Thay (3-2) vào (3-1) và ta có: x a p p γ γ= − sH Hσ− và điều kiện để không phát sinh khí thực tại x - x là: gmail.com 39 x a s p p H Hγ γ σ= − − ≥ hhp ; rút ra σ ≤ a s hhp H p γ γ− − = a s hhH H H− − ; Từ điều kiện chuẩn nhiệt độ bình thường (150 - 300) thì áp suất hoá hơi khoảng (0,18÷0,43m cột nước), lấy hhp = 0,33m, áp suất khí trời là Ha = 10,33m cột nước, mực nước ∇ = 0 thay vào công thức trên ta có điều kiện để độ cao hút nước HS không sinh khí thực là: HS ≤ 10,33 - 0,33 - σH = 10 - σH = [ HS] (3-3) Áp dụng cho thực tê: khi cao trình đặt turbine là ∇ > 0 thì độ giảm áp suất tương ứng ∇ sẽ là 9 00 , mặt khác để tăng tính an toàn ta nhân thêm vào σH một lượng (σ +∆σ)H, ta có: ∇ HS ≤ [ HS] = 10 - 900 - (σ +∆σ)H (3-4) hoặc: HS ≤ [ HS] = 10 - ∇900 - kσ H (3-5) ∆σ tra theo biểu đồ (hình 3-2); ệ số k lấy k = 1,05 - 1,1. H Hình 3-2. Quan hệ ∆σ = f(H). III. 4. XÁC ĐỊNH CAO TRÌNH ĐẶT TURBINE Ở trên đã trình bày nguyên nhân và điều kiện xảy ra hiện tượng khí thực. Một nh đ không xảy ra xâm thực ở chế độ thiết kế. Đối với mỗi loại turbine thì chiều cao hút S cũ ực nước ạ lưu (hình 3-3,a), còn cao trình e lm lấy ở cao trình qua gi Tu trong những điều kiện để không phát sinh khí thực trong turbine là cao trình đặt turbine phải đảm bảo HS ≤ [ HS]. Tuy nhiên việc chọn điểm x là điểm giả thiết có áp lực nhỏ nhất thường không thể xác định chính xác được, nên thường quy đị vị trí của nó là nơi có thể xảy ra áp suất nhỏ nhất và tại đó có tính đến một đại lượng dự trữ an toàn ể nước quy ươc H ng khác nhau (hình 3-3) như sau: - Turbine hướng trục và hướng chéo trục đứng thì HS lấy từ tâm trục cánh đến mực nước hạ lưu (hình 3-3,c), còn cao trình đặt turbine ∇lm lấy ở cao trình qua giữa CCHD; - Tu e t lấy từ mép dưới cánh hướngrbin tâm rục trục đứng thì HS dòng đến m đặt turbin ∇ ữa CCHD; h - rbine trục ngang, HS là khoảng cách từ điểm cao nhất của ống hút tới mực nước hạ lưu (hình 3-3,b), còn cao trình đặt turbine ∇lm lấy ở cao trình qua tim trục turbine. nhieu.dcct@gmail.com Hình 3-3. Quy định chiều cao hút nước và cao trình đặt turbine. a h đặt turbine (∇lm như ở trên, có liên quan đến độ cao hút nước HS phải lấy nhỏ hơn độ cao hút cho phép [ HS] theo công thức (3-4) hoặc (3-5). Như vậy cao trình ∇lm đặt càng sâu về khí thực, tuy nhiên khối lượng phần dưới nước của nhà máy sẽ càng lớn. Vì vậy chọn ∇lm sao cho vừa an toàn về khí thực vừa đảm bảo khối lượng công ình. h lắp turbine được tính cho các loại turbine như sau: - Đối i turbine tâ ứng (hình 3-3,a): C o trìn ) được quy định hút nước; để không phát sinh khí thực thì độ cao càng an toàn tr Cao trìn vớ m trục trục đ 40 lm hl s oZ H b∇ = + + 2 (3-6) - Đối với turbine hướng trục trục đứng (hình 3-3,c): lm hl sZ H x D∇ = + + 1 (3-7) 1÷0,46 i turbine trục Với x = 0,4 - Đối vớ ngang (hình 3-3,b): 2 DHZ 1shllm −+=∇ (3-8) Trong các công thức trên, khi cột nước H và lưu lượng Q phát điện thay đổi thì mực nước hạ lưu Zhl và độ cao hút nước HS cũng thay đổi. Trong thực tế dựa vào điều kiện thiết kế để chọn cao trình đặt máy: Dùng cột nước thiết kế (HTK) để tính ra [HS], ường rbineđể tính mực nước hạ lưu Z , cao trình ∇ thực th dùng lưu lượng của một tu hl chất là cao trình đặt turbine ta chưa biết, tuy vậy do tỷ số ∇ 900 áng kể do vậy có thể lấy áng chừng cao trình dự định đặt turbine (thường có thể lấy ằng cao trình mực nước thấp ở hạ lưu). trị số ∇lm , sau đó vẽ đường tần suất ∇lm ~ p%, dựa vào tần suất thiết kế của trạm tra ra ∇lm rồi phân tích để chọn kết qu thoả . quá bé, sai số không đ b Để tính cao trình đặt máy đúng hơn, có thể cho các H, Q thay đổi rồi tính ra các được ả đáng nhieu.dcct@gmail.com 41 N LÝ CÔNG TÁC VÀ LUẬT TƯƠNG TỰ CỦA TURBINE THỦỶ LỰC IV. 1. DÒNG CHẢY TRONG TURBINE THUỶ LỰC ăng lượng trong BXCT của turbine thuỷ lực trước hết tìm h chảy trong BXCT rất hức tạp, ạng cong không ian lại v a chảy vòng quan bine. ất cả các p ng trong vùng BXCT đều tuân theo hai chuyển động: huyển Chương IV. NGUYÊ Để xét quá trình biến đổi n ta iểu dòng chảy trong đó. Quá trình chuyển động của dòng đó các phần tử chất lỏng vừa chảy men theo bề mặt cánh dp ở ừg h trục quay của turbine, đó là chuyển động không gian ba chiều. Sự thay đổi lưu tốc cả hướng lẫn trị số sẽ làm thay đổi các thông số của turbine như lưu lượng, vòng quay, hiệu suất ...v.v.. của tur T hần tử chất lỏ c động tương đối theo biên dạng cánh và chuyển động theo vận tốc quay của bánh xe. Như vậy chuyển động tuyệt đối của phần tử chất lỏng là tổng vectơ vận tốc của hai chuyển động đó (hình 4-1). Gọi U → là vận tốc theo, W → là vận tốc tương đối, thì vận tốc tuyệt đối V → sẽ được xác định theo công thức: V → = U → + W → . Ba vectơ này tạo thành tam giác khép kín gọi là "tam giác tốc độ". Tam giác tốc độ ở cửa vào (điểm 1) và tam giác Hình 4-1. Sơ đồ dòng chảy trong BXCT của các turbine. tốc độ ở cửa ra (điểm 2) của bánh xe công tác được trình bày trên (hình 4-1,b, d). Các góc tạo thành tam c ốc tương ứng nói trên gồm: α là góc tạo thành bởi vận tốc tuyệt đối V → với vận tốc theo U → , còn β là góc tạo thành bởi vận tốc → giá t độ tương đối với vận tốc th .Các góc β , β ỳ thuộc vào cấu tạo và hình dạng cánh. Dòng nước tro hảy dọc theo thành cánh, do đó vectơ vận tốc tương đối của dòng nước sẽ hướng theo trục ơng đối W sẽ tỷ lệ nghịch ằng vận tố W eo U → 1 2 tu ng các khe giữa các cánh của turbine tâm trục (hình 4-1,a) c các khe này. Nếu chiều cao các khe không đổi thì vận tốc tư với chiều rộng của khe. Vì trong turbine tâm trục khoảng không gian giữa CCHD và BXCT bé nên nói chung có thể cho vận tốc tuyệt đối ở cửa ra CCHD b c tuyệt nhieu.dcct@gmail.com 42 1), nếu ảy s ì vậy trong vận hành cố gắng bảo đảm điều kiện này. Trong turbine hướng trục (hình 4-1,c), ngoài những điều rút ra được ở turbine tâm trục, còn có những đặc điểm sau: - Chuyển động Bộ phận CCHD nằm cách xa BXCT, nên khoảng không gian giữa chúng tương đối n do vậ vectơ vận tốc tuyệt đối mép ra cánh hướng dòng V0 không thể bằng vận tốc ậy điều kiện "chảy vào không va" tốc ở cử và và cửa ột dòng nguyên tố của dòng chảy trong turbine ở chế độ làm việc ổn định. Từ đó suy ra chung cho toàn dòng chảy trong hạm vi BXCT với các giả thiết - BXCT có số lượng cánh nhiều vô hạn, cánh cực mỏng. Như vậy khe hở giữa các p, lúc đó quỹ đạo chuyển động tương đối của chất lỏng trùng - Dòng chảy trong turbine là dòng ổn định. Như vậy thì đường dòng sẽ trùng với quỹ ạo chuy g của chấ n iết này cho phép ợc vị trí và hình dạng của đường dòng trong turbine; - Dòn c òng lý tưởng, do vậy không tính đến tổn thất thuỷ lực. X T. Lấy hệ trục to tốc tuy R U Z ận tốc vòng có g gây ômen hai thành ômen quay vớ ậy ta chỉ s ốc vòng để thiế ng ố (hình 4-1,e). Khi chảy men theo bề m , vận tốc hông ngừng đổi cả hướng và trị số, vì vậy các hạt chất lỏ ng của cánh BXCT. Theo định luật ba của Niu tơn thì các hạt chất lỏ ào cơ hệ đó. Nếu xé đối cửa vào BXCT (V0 = V vận tốc tương đối mép vào W1 trùng với tiếp tuyến của mép vào BXCT thì dòng ch ẽ rất thuận khi chảy lượn bao prôfin cánh và đó là chảy vào không va" ở cửa vào. V" dòng chảy trong BXCT có hướng song song với trục quay; - lớ y tuyệt đối tại mép vào bánh xe công tác V1 được. Do v không bảo đảm đối với turbine cánh quạt khi làm việc khác với chế độ thiết kế, turbine cánh quay do cánh xoay được do đó khắc phục được đặc điểm này. Ở cửa ra của BXCT cần làm sao cho dòng chảy từ cửa ra đổ vào ống xả cần cố gắn giảm tổn thất xoáy đến mức thấp nhất để tăng hiệu suất của turbine. IV. 2. PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA TURBINE Phương trình cơ bản của turbine thuỷ lực xác lập quan hệ giữa mômen lực tác dụng của dòng nước vào BXCT và các thành phần vận a o ra của nó. Như trên đã thấy dòng nước chảy trong BXCT là dòng không gian ba chiều phức tạp, do vậy để đơn giản khi lập phương trình này, ta xét m p sau: cánh kế tiếp nhau sẽ rất hẹ với tuyến AB của cánh (hình 4-1,e); đ ển độn t lỏ g. Giả th ta tìm đư g hảy qua turbine là d ét chuyển động của dòng nguyên tố tách ra từ dòng chảy trong BXC ạ độ (r, u, z) theo phương hướng tâm, hướng vòng và hướng đứng, phân tích vận ệt đối V theo hệ trục trên ta có có thành phần vận tốc tương ứng V , V và V , trong đó chỉ có thành phần v khả năn m quay, còn phần vận tốc kia không gây m i trục Z.Do v ử dụng vận t t lập mômen quay cho BXCT, và ta có thể chuyển nghiên cứu bài toán không gian về bài toán phẳng bằng cách chiếu vận tốc tuyệt đối V ra các thành phần U và W trên các mặt phẳng tươ ứng tại các điểm dòng nguyên t ặt cánh dòng chảy k ng ở đó chịu tác dụ ng cũng có tác dụng trở lại cánh một lực cùng trị số nhưng có chiều ngược lại, chính lực đó tạo nên mômen xoắn lên trục turbine. Áp dụng luật biến thiên mômen động lượng để lập quan hệ trên. Theo luật này, đạo hàm mômen động lượng với thời gian của cơ hệ bằng mômen của tất cả các ngoại lực tác dụng v t dòng nguyên tố di chuyển từ cửa vào 1 đến cửa ra 2 sau thời gian dt thì: dL dt dt L L Mc = − =1 2 1( ) (4-1) trong đó : L1 , L2 là mômen động lượng tương ứng của dòng nước ở đầu và cuôí dt; Mc là mômen các ngoại lực tác dụng lên dòng nguyên tố đang xét. nhieu.dcct@gmail.com Tại cửa vào 1 cách trục turbine bán kính r1 dòng nguyên tố có vận tốc tuyệt đối V1 và các thành phần vận tốc theo U1, vận tốc tương đối W1, tại cửa ra 2 cách trục turbine bán kính r 2 có vận tốc tuyệt đối V2 và các thành phần vận tốc tương ứng là U2 và W2. Gọi lưu lượng nước qua 1 hoặc 2 trong đơn vị thời gian là q, bỏ qua tổn thất 43 . . . . .cos dung tích khi chuyển từ 1 đến 2 thì khối lượng nước tại hai điểm đều là m = ρ . .q dt Tương ứng ta có mômen động lượng tại cửa vào và cứa ra BXCT là: 1 1 1 1L m V r= =. . .cosα ρ 1 1 1q dt V r α 2 2 2 2 2 2 2L m V r q dt V r= =. . .cos . . . . .cosα ρ α Thay giá trị L1 và L2 vào (4-1) ta có: dL q r V r V Mc= − =ρ α α( cos cos2 2 2 1 1 1 (*) Trong công thức (*), Mc là mômen của cánh turbine tác dụng lên chất điểm nước, vậy nếu gọi Mn là mômen của chất điểm nước tác dụng lên cánh turbine thì Mn = - Mc, vậy ρ α αq r V r V M( cos cos− n= (**) 1 1 1 2 2 2 Phương trình (**) lập cho một dòng nguyên tố chảy trong BXCT, dòng chảy trong toàn BXCT ta thay Q = để mở rộng cho toàn Σq và M = Σ nM và nhân hai vế của (**) với vận tốc góc ω ta có: ρ ω α ω α ωQ V r V r M( . . .cos . . .cos ) .1 1 1 2 2 2− = ; Mặt khác, ta biết 1 1r U.ω = ; 2 2r U.ω = ; và M.ω = N = ρg Q H. . . Từ đó rút ra: H V U V U= −1 ( cos cos )g 1 1 1 2 2 2α α (4-2) Phương trình (4-2) vừa lập ở trên cho turbine có số cánh vô hạn, cánh vô cùng mỏng và chất lỏng lý tưởng. Thực tế turbine có số cánh hữu hạn, có bề dày và chất lỏng lực trong BXCT và cột nước thực tế Hth chỉ còn bằng ηH, với η là hiệu s t thuỷ ực (H = H - . Vậy (4-2) viết lại là: thực, do vậy có tổn thất thuỷ uấ l th ∆H = ηH) η α αH g V U V U= − 1 ( cos1 1 1 2 2 2cos ) . Từ đây rút ra phương trình cơ bản ở dạng khác, dùng cho turbine thực tế: η α α= − V-1), theo phương trình (4-3) thì hiệu suất lớn nhất của BXCT có được khi V U cosα = 0. Vì cột nước đang xét không c U2, c là điều kiện chảy ra thẳng góc hay điều kiện "pháp tuyến cửa ra". Tuy nhiên qua hiều thí nghiệm chứng tỏ rằng thực tế nên chọn α2 < 900 một ít tích số 2U2cosα2 = 0,2gH thì hiệu suất turbine cao hơn, vì khi α2 < 900 thì dòng chảy sau khi khỏi BXCT có xoáy một ít tạo điều kiện chảy trong BXCT và trong ống xả tốt hơn. - Ap dụng phương trình (4-3) viêt cho turbine xung kích gáo (hình 4-1,d): ước từ vòi phun bắn vào cánh gáo theo các tia tròn, sau khi ra khỏi vòi phun, toàn bộ ăng lượng dòng tia trừ tổn thất đều biến thành động năng với vận tốc 1 1 1 1 2 2 2g H V U V U ( cos cos ) (4-3) h g (4 viện sỹ E P ươn trình -3) do ule lập ra năm 1754, được gọi là phương trình cơ bản của turbine. Phương trình này viết chung cho cả turbine phản kích và xung kích. - Để nâng cao hiệu suất của turbine ngoài việc cố gắng đảm bảo vận hành turbine ở điều kiện "chảy vào không va" (như đã trình bày ở I 2 2 2 đổi, vận tốc V2, U2 không thể bằng không do vậy chỉ có thể cosα2 = 0 hay α2 = 900. hư vậy điều kiện chảy ra lợi nhất là véc tơ vận tốc VN 2 thẳng góc với véc tơ vận tố tứ n V ra N n 0 2V gH= ϕ , khi đến gáo, tia nước được tách ra hai phần bằng nhau và chảy vào hai nửa gáo dạng nhieu.dcct@gmail.com 44 cong ellip ận c theo gần như ngược chiều với . Nếu bỏ qua tổn thấ ữa nước và hoảng gần như nhau, do sse, dòng nước rời khỏi cánh gáo với vận tốc tuyệt đối 2V rất nhỏ, còn v tố 2 2 gáo thì 1W = 2W . Điểm vào (1) và điểm ra (2) cách trục một k W V t ma sát gi vậy mà 1 2U U U= = . Dựa vào tam giác tốc độ cửa vào và cửa, thành trong (4-3) sẽ là: 1 1 1 1V U V Ucosα = ; (*) 2 2 2 2 2 2 1 2V U W U W U V Ucos cos cos ( ) cosα β β β= + = + = + − (**) Thay (*) và (**) vào (4-3) ta có phương trình cơ bản (4-4) của turbine xung kích gáo: η β= − −1 11 2gH U V U( ) ( cos ) (4-4) Từ phương trình (4-4 thấy rằng để tăng hiệu suất turbine gáo, khi H đã biết thì: Tích U(V1 - U) phải lớn nhất, do vậy ta đạo hàm tích này theo U và cho bằng 0, ta có: U = 0,5 V1, nghĩa là tốc độ vòng phải bằng một nửa tốc độ tuyệt đối của dòng phun. Nhưng điều này không đạt được vì có tổn thất, thực tế U = (0,43 - 0,47) V1. Tích (1- cos 2β ) lớn nhất, muốn vậy góc 2 0180β = . Nhưng vì nếu 2 0180β = thì phương của 2W trùng với phương , như ước ở cánh sau s c I LƯỢNG QUY DẪN n cậy êu cầu đó, người ta thu nhỏ kích thước turbine mô qua các quan hệ tương tự với turbine ể đảm bảo trên mô hình áp dụng cho turbine thực tế cần phải có hững 2U vậy dòng n ẽ đập ngượ phía sau cánh trước làm giảm mômen quay của BXCT, do vậy lấy 002 177176 ÷=β . IV. 3. LUẬT TƯƠNG TỰ CỦA TURBINE VÀ CÁC ĐẠ CỦA TURBINE Công tác thực nghiệm mô hình và hiện trường có tác dụng bổ sung độ ti cho kết quả nghiên cứu thiết kế turbine cũng như các thiết bị, công trình khác. Nhờ thực nghiệm khắc phục bớt những khiếm khuyết do chưa lường trước hoặc do chưa thể đề cập được hết những yếu tố thực tế. Với y cần chế tạo thành turbine tương tự, gọi là turbine mô hình. Tiến hành thí nghiệm hình và vẽ ra các đường đặc tính turbine, để từ đó thông mô hình phục vụ cho việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo turbine mới. Đ độ tin cậy giữa kết quả nghiên cứu n điều kiện và các tiêu chuẩn tương tự. IV. 3. 1. Các điều kiện tương tự Hai turbine hoặc máy thuỷ lực được gọi là tương tự khi chúng thoả mãn ba điều kiện tương tự là: tương tự về hình học, tương tự về động học và tương tự về động lực học 1. Điều kiện tương tự về hình học Nếu ta ký hiệu những thông số của turbine mô hình bằng cách ghi vào thêm chỉ số (M), còn thông số của turbine thực cần chế tạo bằng chỉ số (T) thì điều kiện để tương tự về hình học là các kích thước hình học tương ứng giữa chúng phải theo một tỷ lệ: 1M 1 2M 2 0 0TD D b const T T M= = = ⋅ ⋅ ⋅ = (4-5) Tập hợ D D b p các turbine đồng dạng về hình học được gọi là các turbine cùng kiểu. 2. Điều kiện tương tự về động học ai turbine tương tự về động học là sự phân bố vận tốc tại các điểm giữa các vận tốc tương ứng phải bằng nhau, tam giác tốc độ phải đồng dạng: Điều kiện h tương ứng trên dòng chảy của hai turbine cùng kiểu phải tương tự, nghĩa là tỷ lệ nhieu.dcct@gmail.com 45 M T M T M T V V U U W W = = (4-6) và các góc kẹp giữa các thành phần vận tốc tương ứng phải bằng nhau. 3. Điều kiện tương tự về động lực học Điều kiện hai turbine tương tự về động lực học là các lực ( trọng lực, lực nhớt, ực quán tính ...) tác dụng lên các phần tử tương ứng của dòng chảy phải tỷ lệ. Trong lý l thuyết tương tự người ta thường dùng các chuẩn số: Rây nôn (Re = V l. ν ), Frút (Fr = 2V g l. ), Struchan (Sh = V n l. ) và Ơle (Eu = p Vρ. 2 ) làm các điều kiện tương tự. Điều kiện tương tự động lực học là: ReM = ReT, FrM = FrT, ShM = ShT, EuM = EuT, trong đó yêu cầu tối thiểu để được coi la đồng dạng động lực học là hai chuẩn số: ReM = ReT, FrM = FrT (4-7) Hai turbine nếu có chuẩn số Re bằng nhau sẽ đảm bảo tươmng tự về lực nhớt và lực quán tính, nếu chuẩn số Fr bằng nhau sẽ đảm bảo tương tự về trọng lực và lực quán ính, còn chuẩn Eu là kế điều ki chỉ đảm 3. 2. Các quan hệ của hai turbine tương tự i với các turbine tương tự, trước tiên ta ỏi tính, chuẩn số Sh bằng nhau sẽ bảo đảm tương tự về lực quán t uả của hai dòng chảy đã đảm bảo tương tự về Re, Fr. t q Trong thực tế thí nghiệm máy thuỷ lực cho thấy không thể nào đảm bảo được ện tương tự động lực học được, vì rằng các turbine khác nhau về kích thước sẽ khó đảm bảo tỷ lệ độ nhám do trình độ gia công ... Vì vậy người ta có xu hướng bảo theo đúng một trong hai chuẩn số Raynon hoặc Frút, việc chọn chuẩn nào tuỳ thuộc lực nào có tác dụng chủ yếu mà quyết định, ví dụ dòng chảy có áp trong ống và trong turbine phản kích thì tính nhớt có tính quyết định do vậy cần phải đảm bảo chuẩn số Re. IV. Để thành lập các công thức tương tự đố xác định quan hệ tương quan giữa các vận tốc dòng chảy theo các góc 1 2 1 2α α β β, , , và cột nước của turbine tại cửa vào và cửa ra BXCT. Giả thiét rằng dòng chảy ra kh BXCT theo hướng pháp tuyến, nghĩa là phương trình cơ bản có dạng η αtlgH U V= ⋅ ⋅1 1 1cos . Mặt khác theo tam giác tốc độ và lượng giác ta có: 1 1 1 W U V 1 1 1sin sin ( ) sinα β α = − = 1β do vậy: 1 1 1V U= 1 1 ⋅ − sin sin ( ) β β α và: 1 1 1W U= 1 1 ⋅ − sin sin ( ) α β α ; do vậy ta có: η αtlgH U V= ⋅ ⋅1 1 1cos = 2 1 1 1 1 1 U ⋅ ⋅ − sin cos sin ( ) β α β α Từ đây rút ra: 1 1 1 1 12 2 2U g H K g Htl u tl= − =sin ( ) cos sin β α α β η η (4-8) tương tư ta cũng rút ra được các tốc độ sau: nhieu.dcct@gmail.com 1 1 1 1 12 2 2V g H K g Htl v tl= − = sin cos sin ( ) β α β α η η (4-9) 1 2 1 1 1 1 1 2 1 12 2g H Ktl W− =sin cos sin ( )β α β α η 2W g Htl= ⋅ −sin sin ( )α β α η , (4-10) Các hệ số u v wK K K, , phụ thuộc vào góc của tam giác tốc độ và tỷ số D2 / D1. Nếu hai turbine tương tự thì các hệ số này không thay đổi ( điều kiện tương tự về hình học và động lực học). Vậy ta ta có thể suy ra các công thức biểu thị quan hệ của các thông số chính của turbine mô hình và turbine thực cần chế tạo Chúng ta cũng nhận thấy đối với turbine cùng kiểu làm việc với chế độ cùng góc thì 1α và 1β cửa vào bằng nhau. Do vậy các hệ số tốc độ ở cửa vào sẽ bằng nhau và vận tốc tương ứng bằng nhau. 1. Quan hệ về vòng quay Vận tốc vòng cuả hai turbine mô hình và thực được xác định từ công thức (4-8): M uM M tlM MU K g H D n= =2 60 1Mη π . T uT T tlT T TU K g H D n= =2 60 1η π . . Ở chế độ làm việc cùng góc thì uM uTK K= , vì vậy nếu lập tỷ số cho hai vận tốc trên ta có: M T T M tlM T n n D H D H = 1 1M η η (4tlT -11) 2. Quan hệ về lưu lượng c ch Lưu lượng nướ ảy qua BXCT tỷ lệ với tiết diện ướt (F) của BXCT và vận tốc u suất dung tích (ηq). Vậy viết công thức tính lưu lượng tương đối (W) và có kể đến hiệ cho hai turbine mô hình và turbine thực sẽ là: qM M MK g H.2M M WM tlMη η1MQ F W F. . . . .= = qT T T T T WT T tlTQ F W F K g Hη η. . . . .= =1 2 Đối với turbine cùng kiểu thì tỷ số tiết diện F tỷ lệ với bình phương đường kính, nghĩa là 1M 1 1M 2 1 2 F F D DT T = , lập tỷ số lưu lượng ta có: M Q D H= 2 T T T qM tkTQ D H12 η η (4-12) 3. Quan hệ về công suất Công suất của turbine mô hình và thực được tính như sau: M M M M M qT tlM1M η η N Q H= 9 81, η T T T TN Q H= 9 81, η lập tỷ số giữa hai công suất và thay tỷ số lưu lượng eo công thức (4-12) ta có quan hệ về công suất: th M T M M M qM tlM T T T T qT tlT N N D H H = 1M 1 2 η η η (4-13) D H H2 η η η 46 nhieu.dcct@gmail.com 47 công thức tương tự của turbine thuỷ ô hình đã biết, dùng các công thức Các công thức (4-11) đến (4-13) chỉ quan hệ giữa các thông số công tác đối với chế độ tương tự ( chế độ đồng góc) gọi là những ác thông số turbine mlực. Qua thí nghiệm mô hình c ương tt ự trên để tính ra các thông số tương ứng của turbine thực mà ta cần tìm. Trong thực tế tính toán thiết kế ta chọn turbine ở bước ban đầu thường tính gần đúng, bỏ qua sự sai khác nhau về hiệu suất giữa turbine mô hình và turbine thực và tỷ lệ kích thước với đường kính D1 . Ta có các quan hệ gần đúng lần thứ nhất sau: M T Mn D H1 T Tn D H = 1M (4-14) M T M T T Q Q D H D H = 1M 2 1 2 (4-15) M M MN D H H1M2 T T T TN D H H = 1 2 (4-16) IV. 3. 3. Các đại lượng quy dẫn Trong thiết kế turbine các thông số của turbine (H, Q, n, N) không thể đặc trưng cho các turbine cùng loại tương tự nhau. Để đặc trưng cho cùng một loại turbine người ta đưa à công suất của một ý ( thường là nhỏ hơn 1m), với cột nước làm việc nào đó và đo ra các các vòng quay , lưu lượng ... Dùng các công thức tương tự ở trên để tính đổi ra các đại lượng quy dẫn từ các số liệu thí nghiệm: Gọi turbine mô hình là turbine có đường kính = 1m, cột nước = 1m theo định nghĩa thì = = , và bỏ các chỉ số (T) trong các công thức (4-14, 4-15, 4-16) của các đại lượng chỉ turbine thực, vậy các công thức quy dẫn là: ra các đại lượng mang tính ước lệ gọi là đại lượng quy dẫn ( hay đại lượng dẫn xuất). Các đại lượng quy dẫn của turbine là: vòng quay, lưu lượng v turbine có đường kính tiêu chuẩn D1 = 1m, làm việc với cột nước H = 1m. Để có các đại lượng quy dẫn, ta thí nghiệm với turbine mô hình có đường kính tuỳ MD MH Mn MQ MD MH Mn 1'n , MQ 1 'Q 1 1'n n D H = (4-17) 1 1D H 2 'Q = (4-18) Q 1 1 1 29 81' ',N Q H H D= η (4-19) Như vậy các turbine tương tự nhau thì có cùng một đại lượng quy dẫn. Trong thiết kế turbin kính , dẫ 1M 1D m=e, nếu chọn được một mô hình nào đó có đường M m= 1 và các đại lượng quy n 1 1 1, ,n Q N thì ta có thể xác định các thông số của turbine cần thiết kế theo các công thức sau: ' ' 'H Q Q D= 1 1 H 2' n n D H= 1 1 ' (4-20) N N D H H Q D= =2 29 81' ', η H H1 1 1 1 nhieu.dcct@gmail.com 48 c kiểu BXCT khác hau, t uay đ Để thành lập công thức tính vòng quay đặc trưng, ta sử dụng các công thức tương tự (4-16) và (4-14). Nếu gọi turbine mô hình có , , IV. 3. 4. Số vòng quay đặc trưng ( hệ số tỷ tốc) Để biểu thị một cách tổng hợp các đặc tính thuỷ lực của turbine theo số vòng quay, k so sánh các hệ turbine với cáhả năng tháo nước, đồng tời đẻ rong ngành chế tạo máy thuỷ lựn c thường sử dụng đại lượng vật lý gọi là vòng q ặc trưng hay hệ số tỷ tốc, ký hiệu nS. Về thực chất hệ số tỷ tốc là số vòng quay trong một phút của một turbine có kích thước sao cho khi làm việc với cột nước 1m có thể phát ra công suất bằng một mã lực (hoặc 736 W). M Sn n= MH m= 1 MN = 1 mãlực, và có các đại lượng ... Các đại lượng của turbine thực trong các công thức bỏ chỉ số (T). Từ công thức (4-16)viết lại theo quy ước trên ta có: MD M M MN N D H H D H H = 1M 2 1 2 , thay MH m= 1 và MN = 1 ta có 1 1 11M2 1 2N D D H H = ; rút ra: 1 1M D D N H H = (*) Từ công thức (4-14) viết lại theo quy ước ta có: M T T M T n n D H D H = 1 1M , thay M Sn n= và MH m= 1 , ta có: Snn D D H = 1 1M 1 , rút ra: S M n n D D H = 1 1 thay (*) vào ta có: Sn n N H H = 4 (4-21) Trong công thức (4-21): n (v/ph), H (m), N (mãlực), nS (v/ph). Nếu thay thứ nguyên của N là (kW) thì Sn n N H H = 1167 4, , (v/ph) (4-22) Ta còn có ng công ức (4 (4-20), ta có: thể tính hệ số tỷ tốc theo các thông số quy dẫn và tương tự; dù th -22), với n tính theo công thức Sn n H D H H Q D H H= 1167 9 811 1 4 1 1 2, , ' 'η = 3,65 1 1' 'n Q η (4-23) Q'1 tính theo m3/s. Số vòng quay đặc trưng nS(hay hệ số tỷ tốc) là hệ số tổng hợp vì nó chứa đựng các thông số chính của turbine (H, Q, N, n) và nó được thành lập từ các đại lượng của turbine mô hình theo các công thức đồng dạng hực của turb , nó không đổi đối với một kiểu turbine, ine. đường kính và các thông số H, Q, N. Vì vậy người ta còn dùng tỷ tốc nS việc trong việc nhưng nó không phải là vòng quay t Mỗi kiểu turbine do phạm vi làm việc của cột áp và công suất khác nhau thì nS cũng khác. Turbine hướng trục có H thấp, N lớn mặc dầu số vòng quay thực tế nhỏ nhưng lưu lượng lớn nên nS cũng lớn ( nS = 500÷950 v/ph); turbine gáo làm việc với H cao, N tương đối nhỏ, Q nhỏ nên hệ số tỷ tốc cũng nhỏ (nS = 5÷70 v/ph) ... Các turbine tương tự thì có chung một vòng quay đặc trưng không phụ thuộc vào nhieu.dcct@gmail.com 49 các turbine theo ột chế độ. hường IV. 3. 4. Tính toán hiệu suất turbine thực từ turbine mô hình Trong thực tế tuy hai turbine tương tự cùng làm việc ở chế độ tương tự nhưng hiệu suất của chúng vẫ kính BXCT. Sở dĩ ó sự khác nhau nầy vì trong công thức chúng ta tính gần đúng đã bỏ qua các tỷ số hiệu ữa hai turbine tương tự do tính phức thường phải dùng đến các công . phân loại turbine. Lưu lý rằng khi chế độ làm việc của turbine thay đối, ứng với mỗi trị số cột nước cho trước thì hệ số tỷ tốc cũng thay đổi, bới vậy để so sánh iểu tỷ kiện chúng làm việc ở cùng mk tốc chỉ có thể tiến hành trong điều T hệ số tỷ tốc được tính ứng với turbine có công suất định mức, cột nước tính toán và số vòng quay đồng bộ. Từ các công thức tỷ tốc ở trên ta thấy: nếu hai turbine có cùng đường kính BXCT D1 và cùng cột nước H thì turbine nào có tỷ tốc lớn hơn sẽ cho công suất và vòng quay lớn hơn. Do vậy nếu dùng turbine có tỷ tốc lớn ứng với công suất cho trước sẽ cho phép giảm D1 và số vòng quay lớn. Do đó xu thế phát triển của ngành chế tạo turbine là tìm cách tăng tỷ tốc của turbine để giảm nhỏ kích thước turbine và kích thước máy phát. n khác nhau. phụ thuộc vào cột nước và đường c suất, do vậy đã bỏ qua sự khác nhau về tổn thất gi tạp và cũng chưa có cách tính chính xác các tổn thất này. Trong thực tế xác định hiệu suất của turbine thực thức kinh nghiệm và cũng chỉ mới dựa vào chế độ làm việc tối ưu của turbine mô hình Công thức kinh nghiệm xác định hiệu suât toàn phần của turbine thực như sau : Khi cột nước H ≤ 150 m: max max( )T M T D D η η= − −1 1 1M 1 5 (4-24) Khi cột nước H > 150 m: max max( )T M T M T D D H H η η= − −1 1 1M 1 5 20 (4-25) Đối với turbine khi thí nghiệm mô hình ta đã xác định được hiệu suất thuỷ lực với mọi trị số cột nước thì có thể xác định hiệu suất turbine thực tơng ứng theo công thức sau: iT iM eM eT R R η η ε ε= − bine, khó tín − + −⎡⎣⎢ ⎤ ⎦⎥1 1 1 6( ) ( ) (4-26) Trong (4-26) ε là số phần trăm hiệu suất, nó phụ thuộc vào chế độ làm việc của tur h ra được, người ta chọn gần đúng ε theo điều kiện làm việc tối ưu của turbine là ε = 0,5 và dùng chung cho mọi chế độ làm việc. Còn eM eT T M T R R D D H H = 1M 1 . Trong tính toán hiệu chỉnh hiệu suất turbine thực từ mô hình người ta thường sử dụng các công thức (4-24) và (4-25) để tính, với độ chính xác gần đúng cho phép. nhieu.dcct@gmail.com Chương V. THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VÀ ĐẶC TÍNH TURBINE 50 ẬT LÝ VÀ HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM Hiện nay những phương pháp tính toán lý thuyết vẫn chưa đủ để xác định hình dáng tốt nhất của các bộ phận qua nước của turbine (BXCT, CCHD, vòng bệ, buồng turbine, ống xả ....) ở phần lớn các chế độ làm việc. Đặc biệt khó, hoặc không thể, xác định được các tính chất năng lượng và khí thực cuả turbine ở chế độ làm việc khác với chế độ thiết kế nếu chỉ dựa vào lý thuyết. Vì vậy, để thiết kế các turbine hiện đại thường người ta đưa ra một số phương án phần qua nước và tính toán chúng theo các công thức lý thuyết. Theo kết quả tính toán, chế tạo ra các mô hình của phần qua nước của turbine rồi đem thí nghiệm ở phòng thí nghiệm, từ kết quả thí nghiệm và thông qua luật tương tự tính toán chỉnh lý thành các đường đặc tính mô hình, từ đó xây dựng thành các đường đặc tính khác của turbine thực tế. Việc thí nghiệm cũng có thể tiến hành trực tiếp qua những turbine đang hoạt động ở các TTĐ nhưng tốn kém và không đủ điều kiện bằng trong phòng thí nghiệm. Việc thí nghiệm tiến hành trong môi trường nước do vậy chủ yếu cần đảm b ba điều kiện tương tự và chuẩn số Raynon. Để xác định các đặc tính năng lượng và khí thực của turbin ệ thống thí nghiệm bao gồm những bộ phận chính sau: ước qua đập tràn xuống bể dưới và được ơm lê ể chín V. 1. MÔ HÌNH V ảo e, cần xây dựng những hệ thống thí nghiệm. H - Hai bể chứa nước có dung tích đủ lớn để đóng vai trò bể nước thượng và hạ lưu; - Turbine mô hình, thường có đường kính BXCT D1M thường 250 và 460 mm; - Máy bơm để bơm nước từ bể hạ lưu lên bể thượng lưu để lưu thông nước giữa các bể và tạo cột nước cho turbine mô hình; - Thay thế máy phát điện là một thiết bị đo công suất trên trục turbine mô hình; - Các thiết bị đo các thông số cần thiết như Q, H, n, ... Thường có hai loại hệ thống thí nghiệm: hệ thống hở và hệ thống kín. V. 1. 1. Hệ thống thí nghiệm hở Hình (5-1,a) trình bày sơ đồ hệ thống thí nghiệm hở. Đặc điểm của nó là có mặt thoáng ở hai bể nước thượng và hạ lưu, mặt thoáng chịu áp suất khí trời. Cột nước của mô hình là hiệu chênh lệch mực nước của hai bể, vì vậy cột nước tạo được là nhỏ. Mô hình hở chỉ có thể thí nghiệm năng lượng mà không thể thí nghiệm khí thực. Theo sơ đồ thí nghiệm này, khi làm việc nước từ bể thượng lưu 2 chảy qua ống áp lực vào turbine 4 tháo qua ống xả xuống bể hạ lưu 7, ở đây lưu lượng Q được đo bằng đập tràn thành mỏng tam giác vuông 8. N b n bể 2 nhờ máy bơm 1 và quá trình lại tuần hoàn. Khi làm thí nghiệm, để tiến hành đo các đại lượng chính như: lưu lượng Q, cột nước H, số vòng quay n, mômen xoắn M, cần dùng những thiết bị và cơ cấu sau: Lưu lượng Q chảy qua turbine được xác định theo chiều cao lớp nước trên đỉnh đập tràn h (m), biết h có thể xác định lưu lượng theo công thức kinh nghiệm sau: Q h= ⋅1 343 2,47, (l/s) Đ h xác hơn có thể đo Q bằng phương pháp thể tích, tức là dùng thùng đong. nhieu.dcct@gmail.com 51 ng lưu và bể hạ lưu khi mực âm hoặc dùng Đo cột nước H bằng ống đo áp nối riêng ở bể thượ nước ở hai bể ổn định, hoặc đo theo hiệu số vị trí phao của mực nước ở hai bể. Đo số vòng quay n (v/ph) trục turbine bằng vòng quay kế kiểu ly t máy đếm vòng quay bằng điện. Đo mômen xoắn trên trục turbine bằng bộ hãm kiểu ma sát (hình 5-1,b). Mômen xoắn được tính theo công thức: M = P.l, từ M có thể tính ra công suất hữu ích Nh = Mω. Hình 5-1. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm hở. Nội dung thí nghiệm để xác định đặc tính năng lượng của turbine trên các băng th gồm: Thí nghiệm với một số độ mở cánh hướng dòng a0 và góc đặt cánh ϕ. - Với mỗi độ mở cánh hướng dòng không đổi a = const, và góc đặt cánh không đổi đối với turbine cánh q ường ống áp lực của ố vòng quay ng và hạ lưu đóng kín không ạo ra. ồ guồn tạo ưu xả uống ử 0 uay) ϕ = const, ta điều chỉnh van khoá trên đ( turbine. Ứng với mỗi độ mở van khoá ta đo được thông số: cột nước H, s n, lưu lượng Q, công suất hữu ích Nh của turbine. Tiến hành thay đổi độ mở van khoá theo thứ tự từ lớn đến nhỏ (khoảng chừng 6 - 8 độ mở) và đo các đại lượng H, n, Q, Nh tương ứng với từng độ mở khoá. - Sau khi có các giá trị H, n, Q, N của các điểm ứng với mỗi độ mở khoá, tính hiệu h suất và xây dựng các đường cong quan hệ giữa từng cặp thông số với nhau. Từ các đường đặc tính quan hệ xây dựng đặc tính tổng hợp của mô hình. V. 1. 2. Hệ thống thí nghiệm kín Đặc điểm của hệ thống thí nghiệm kín là bể thượ thông với khí trời và cột nước thí nghiệm do máy bơm t Hình (5-2) là một sơ đồ của hệ thống thí nghiệm kín. Hệ thống g m n áp bơm 1, van khoá 12, nước vào bình cao áp 13, trên ống áp lực đặt thiết bị đo l lượng 11, nước vào bình ổn định vận tốc 8, 9 trước khi vào turbine 4, rồi theo ống x bể kín hạ lưu 2, trở về máy bơm 1, và quá trình lặp lại. Thiết bị để đo các thông số gồm có: đo vòng quay 5, đo công suất 6, các áp kế 14, 15 để đo cột nước .Hệ thống kín ngoài việc tiến hành thí nghiệm năng lượng còn có khả năng thí nghiêm về khí thực . Do vậy trong hệ thống này có trang bị thêm bơm chân không 3 để hút không khí phía trên mặt nước bình 2. nhieu.dcct@gmail.com Hệ thống kín có ưu điểm là có khả năng thí nghiệm khí thực, kích thước nhỏ, tuy nhiên hệ thống này có kết cấu phức tạp, thiết bị đo cũng phức tạp hơn hệ thống hở. Hình 5-2. Sơ hệ thống thí nghiệm tirbine kín V ệc thí nghiệm năng lượng tiến hành với các độ mở a0 = const và các góc đặt ợc tiến hành theo trình tự và nội chỉ trình bày cách thí nghiệm khí ự c uan hệ độ mở a0 (và ϕ) hằng số. Kết ố khí thực trên ươ ệm khí th được tiến hành trên h au khi đã ến h nh th m đặc tính năng lượ ể định ra các c ần thiết phải ti n định đặc tính khí thực tại các chế độ đó, cụ thể là xác định hệ số khí thực σ ủa các chế đ đó. Ví dụ cần xác định hệ số σ ở chế độ A nào đó ( có a0, ϕ, HA, QA, nA, A) ta điều chỉnh khoá 12 trên ống áp l để có được các thông số HA, QA, nA, NA . Sau , c chân ôn làm iệc o áp suất trong b ạ lư 2 đư giá áp t ân ông nà ó ở 2. H ố khí thực tính được th ôn c: đồ i của cánh BXCT ϕ = const (đối turbine cánh quay) đư thống hở. Ở đâydung tương tự đã tiến hành đối với hệ thực. Nội dung của thí nghiệm khí th c trên hệ thống thí nghiệm kín nhằm vẽ đượ q giữa hiệu suất η và hệ số khí thực σ ứng với các quả đo được quan hệ η = f(σ) tính toán và vẽ được các đường đồng hệ s đường đặc tính tổng hợp chính của turbine. Ph ng pháp thí nghi í nghiệ ực ng thì có th ệ thống kín. S hế độ cti hành xác à ế c ộ N ực đó ho bơm kh g 3 v , đ ể h u ợc trị suấ ch kh P2 o đ bể ệ s eo c g thứ σ γ γ γ= − − 2P H P H H HA bh A s A (5-1) Trong (5-1): Pbh áp s ất hoá hơi ứ g với nhiệt độ nướ ệm; S - ch ều ine thí nghiệm. Tương ông thức chung: là u n c thí nghi H i cao hút của turb ứng với trạng thái A ta cũng tính được ηA theo c 52 nhieu.dcct@gmail.com 53 η ω= =h γ N N Q H. . M102 100% . . (5-2) trong c Như vậ áy bơm chân không tạo ra và nhiệ ính theo công thức (5-1) và η theo công thức (5 không P2 bằng cách thay đổi chế độ làm việc củ . lập quan ứ vào đồ thị (hình 5-2,b) để xác định hệ số khí thực tới hạn σKP (điểm k) ở hỏi mâ uan hệ giữa các thông số của turbine gọi là đường đặc tính của turbine tính đơ biểu th g quan hệ N, nước H = ông số ở d nguyên tính theo ph . Qua các đường tr - Trên đường đặc tính công tác công suất (hình a): khi η = 0 và N = 0 thì Q và a0 vẫn khác k ố ửu có một lưu g thất nhất đ ứng với công suất lớn nh à ứng với một giá trị công suất nhỏ hơn công suất lớn nhất. - Trên hai đường đặc tính lưu lượng và độ mở (hình b,c) ta thấy hiệu suất và công suất hữu ích bằng không ứng với Q và a0 luôn nhỏ hơn 100%. Trong các đường đặc tính công tác người ta hay dùng dạng riêng biểu thị quan hệ ông thức (5-1): M = P.l (kGm); γ = 1000 kG/m3, Q (m3/s), H (m cột nước). y ứng với mỗi giá trị của áp suất chân không P2 do m t độ của nước, ta có được một trị số σ t -2). Giữ nguyên chế độ A, thay đổi chân a máy bơm chân không 3, ta có một loạt các cặp quan hệ giữa η và σ hệ η = f(σ) ứng với a0. Hiện tượng khí thực sẽ xảy ra khi lưu lượng, cột nứơc và áp suất giảm mạnh, kéo theo sự rung động máy và tiếng ồn. Trên thiết bị đo ta có thẻ xác định được các giá trị này. Căn c chế độ A. Thay đổi chế độ khác, theo các quy trình trên lặp lại. Thí nghiệm khí thực đòi t nhiều công sức và kinh nghiệm mới bảo đảm chính xác. V. 2. ĐƯ