Sổ tay tính toán thủy lực part 10 pptx

Chế độ làm việc tối ưu của tuabin, trong đố hiệu suất có trị số lớn nhất được xác định theo hai điều kiện: a Nước không bị va đập ở chỗ vào của bánh xe công tác, khi đó phương của vận tố

tác của từng kg nước đi qua bánh xe đó và các hình bình hành vận tốc trung bình ở ngay mặt cất vào và ra trước bánh xe công tác (hình 15.6):

Hny = U,V) COSC; ~ U,V Cosa,

trong đó:

Hnụ - tỉ năng truyền cho bánh xe công tác (H - cột nước tuabin; rịạ - hiệu suất thủy lực),

ð - gia tốc rơi tự đo;

Các kí hiệu còn lại ghi trên hình 15.6,

Q

Ẳ

trong đó: _ @ - vận tốc góc quay của bánh xe công tác;

T¡ và F; - lần lượt là lưu số dòng chảy trước và sau bánh xe công tác Chế độ làm việc tối ưu của tuabin, trong đố hiệu suất có trị số lớn nhất được xác định theo hai điều kiện:

a) Nước không bị va đập ở chỗ vào của bánh xe công tác, khi đó phương của vận tốc tương đối W¡ ở mép vào phải trùng với phương tiếp tuyến của cánh bánh xe công tác tại điểm đó

b) Phương của dòng chảy sau bánh xe công tác phải là tốt nhất sao cho tổn thất trong ống hút là bé nhất Về nguyên tắc, các điều kiện này gần với phương xuyên tâm và hướng trục của vạ, tức là khi œ; = 90” hoặc khi lưu số ra Tạ =0 (cồn gọi là điều kiện "ra bình thường")

Việc tính lại các thông số tuabin khi cột nước và trị số đường kính thay đổi đoại tuabin không thay đổi, tức là tương tự hình học giữa các bộ phận nước chảy qua

647

tuabin vẫn giữ nguyên) trong các điểu kiện tương tự về chế độ làm việc, tức là tương tự giữa các hình bình hành vận tốc tương ứng, được tiến hành theo các công, thức tính toán sau đây:

Trong các công thức (15-4) rị; và nạ - các hiệu suất toàn phần, còn rịu¡ Và Tìuz - hiệu suất thủy lực Việc tính lại tần số quay và lưu lượng không, kể đến sự thay đổi hiệu suất của máy được tiến hành theo các hệ thức:

nị —D; VHỊ

m Dy YH,

_ Dt fa QD} JE

Cần chú ý là theo các công thức (15-4) và (15-5) có thể tính lại các thông số của tuabin chỉ khi nào giữ nguyên vị trí (góc đặt) của các cánh hướng dong (độ mở) và các cánh của bánh xe công tác trong các tuabin cánh quay

Các thông số đẫn suất (đơn vị) nị,Q¡, Nì đặc trưng cho mỗi loại tuabin với

(15-4)

(15-5)

bánh xe công tác có đường kính Im, lam việc với cột nước hữu ích bang Im

Các công thức tính lại theo các thông số đơn vị được xây dung trên cơ SỞ các biểu thức (15-5):

N (kW), thi hé s6 tỉ tốc có thể xác định bằng công thức sau:

648

Các giá trị của hệ số tỉ tốc của các dạng tuabin khác nhau được ghi trong bảng 15.1

Bang 15.1 Các hệ số tỉ tốc n, của các dạng tuabin khác nhau

Ống hút của tuabin phản kích để dẫn nước từ bánh xe công tác xuống hạ lưu, có

một vai trò năng lượng quan trọng

TỈ năng trung bình của dòng chảy sau bánh xe công tác tại mặt cắt 2-2 (hình

Vì năng lượng e; không được bánh xe

công tác sử dụng, nên người ta có xu hướng

cố gắng giảm trị số của nó bằng cách lắp ống

hút dạng hình nón (khuếch tán) Sơ đồ máy có

lắp ống hút dạng hình nón đơn giản nhất được

Khi có ống hút, tỉ năng tại mặt cắt 2 - 2 được xác định bằng biểu thức:

2 gạV

=F thy,

2g

trong đó: _ v; và ơ; - vận tốc và hệ số Côriôllt tại mật cắt ra của ống hút,

hạy - tốn thất thủy lực trong ống hút

Theo cong thức (15-8) có thể suy ra là, để giảm e;, cần tăng mật cất Š - 5 của

ống hút và giảm tổn thất trong ống hại Điều đó được thực hiện bằng cách hạn chế góc hình nón @ < 12 + 16”, bằng hình đạng cong êm và bằng độ nhấn bể mặt của ống hút

Nếu không có ống hút, nước từ bánh xe công tác chảy ngay vào khí quyển thì po/y = 0 va năng lượng ra tinh cho ha lưu sẽ bằng:

2 GV:

ey = 22 +H, 2g : Khi đặt tuabin thấp hơn mực nước hạ lưu (H, < 0), thì trong cùng điều kiện

đồ ta có:

= g;V2

25 Ống hút cho phép tận dụng năng lượng ứng với H, là cột nước độ cao của vị trí tuabin so với hạ lưu (trong các tuabin xung kích năng lượng này tự tiêu tán) và một phần động năng Ae¿„ của nước sau bánh xe công tác:

Ton thất ra tương đối của ống hút:

thể xác định gần đúng diện tích mặt cắt ra của ống hút

Các ống hút có hình dạng rất khác nhau Nói chung có thể chia chúng làm ba nhóm:

1 Ống hút trục thẳng (thường là hình nón cụt, hình 15.7) là loại có hiệu quả nhất (nan = 0,80 + 0,85) nếu góc mở 9 tương đối bé (9 < 12 + 16°) Do dài cân thiết của ống hút hình nón cụt xác định theo công thức:

dung rộng rãi ở các trạm thủy 3-EL\ˆ3 4 + 3 445 A

nghiêng (giữa các mặt cắt 4-4

và 5-5) Các kích thước cơ bản

của ống hút là: chiều cao h,

chiều dài L và chiều rộng B;

(hình 5.10)

Ở Liên Xô loại ống hút có

khuyu N°4 (cdc kích thước cho

Hình 15.10: Các ống hút cong với khuỷu N*4 kích thước ước lượng của các ống tính tương ứng với đường kính của bánh xe công, tác Dạ, được ghi trong bảng 15.2

Bảng 15.2 Các kích thước tương đối của ống hút

3 Các ống hút có khuỷu dùng cho tuabin trục ngang công suất nhỏ (hình 15.11e) Các ống này có hiệu suất thấp nhất (nan = 0,4 + 0,5) Về cơ bản điều đó có liên quan đến đoạn hình nón có chiều dài không lớn

Hiện tượng xâm thực xuất hiện trong các tuabin khi trên tuyến thoát nước có những chỗ có độ giảm áp suất thấp hơn áp suất hơi nước bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ (bảng 15.3)

Bảng 15.3 Các giá trị của áp suất hơi nước bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ

có thể ngăn ngừa xâm thực bằng cách hạn chế chiều cao hút H, Trên hình 15.11 trình bày phương pháp tính chiều cao hút áp dụng cho các loại tuabin khác nhau Trị số cho phép của chiều cao hút được xác định bằng công thức sau đây:

trong d6: 6 - hé s6 xam thuc xác định theo thi nghiệm mô hình trên thiết bị chuyên dùng (phân giới), k - hệ số dự trữ lấy bằng 1,1 - 1,3

Buéng tuabin dùng để dẫn

nước đến thiết bị hướng nước

trong tuabin phản kích và tạo

Sự cấp nước đều trên toàn bộ

chu vi Người ta dùng các

buồng tuabin kim loại và

Buông tuabin xoắn bằng

bêtông được dùng khi cột nước Hình 15.12: Buông xoắn tuabin bằng bêtông

Góc bao của buồng bêtông

(ao đối với tuabin hướng trục lấy bằng 180 + 240°

653

H Các vùng này được thể hiện dưới dạng các hình tứ giác cong, trên đó ghi mã hiệu máy bơm và tần số quay Trên một số danh mục còn ghi các giá trị gần đúng của công suất dẫn động cần thiết của máy bơm (trung bình lấy ị = 75%)

Có thể dùng các danh mục đã nói để chọn sơ bộ máy bơm Giả thử cân cung cấp lưu lượng Q = 25 I/s voi cột nước H = 20m (cột nước tĩnh cộng với tổn thất thủy lực) Theo hình 15.42 ta tìm được máy bơm phù hợp với các điều kiện đó là loại 4K-18 với động cơ điện 2900 v/phút và công suất gần 7kW (bằng nội suy)

Hình 15.44: Danh mục máy bơm trục đứng kiểu B

04 050860708081 121416182 25 3 4 5 6 7 8 910 12 14161820 25 39 is Hình 15.45: Danh mục máy bơm hướng trục kiểu O và kiểu cánh quay OlT 684

Cân chú ý là nếu điểm trạng %

thái mà rơi vào phần dưới của 90

tứ giác cong, thì phải dùng

# s0 bánh xe đã gọt (a hoặc b) Khi 3 0

tân số quay khác với vòng quay Š ¬ Ánh

đã nói, thì có thể tính lại lượng 2 ©

cấp nước và cột nước theo các 50

công suất động cơ cho máy bơm Đường kính ống lối vào giảm đi 25 lần

685

Hise Hyaneg

đảm cấp nước vào ống có áp sau khi mở

máy, chỉ có thể làm được với điều kiện là

ống hút và bánh xe công tác đã chứa đầy

chất lỏng (nước), tất cả không khí đã thoát

ra khôi chúng Có thể khởi động máy bơm

cánh bằng một vài phương pháp sau đây: a) Đặt máy bơm thấp hơn mực nước

trong hồ chứa hạ lưu (H < 0) Các máy

bơm hướng trục thường đặt như vậy, các

máy bơm li tâm trục đứng cũng hay đật Hình 15.49

như vậy Trong trường hợp này để khởi

động máy chỉ cần đóng hệ truyền động

b) Méi nước trước vào máy bơm, tức là trước khi đóng động cơ phải đổ đầy

nước vào đường hút và buồng bánh xe công tác của máy bơm (đổ bằng tay qua

phéu hoặc bang ống dẫn đặc biệt) Để nước không chảy mất, ở cuối ống hút đặt một van ngược, van này đóng khi nước chảy ngược chiều

c) Dùng máy bơm chân không kiểu tuần hoàn hoặc kiểu phun mà bơm nước vào

ống hút và vào buồng bánh xe công tác Quá trình đóng máy bơm được tiến hành như sau: đầu tiên đóng máy bơm chân không và để máy này làm việc cho đến khi

đã dồn hết không khí ra ngoài và nước bắt đầu phun ra Sau đó mới đóng động cơ của máy bơm và mở khóa ở trên ống có áp Phương pháp khởi động này được sử đụng trong các trạm bơm cố định cỡ lớn và trong các máy hút bùn

Việc điêu chỉnh hai lượng của bơm cánh thường được tiến hành bằng phương pháp tiết lưu Ở đây có thể giảm lưu lượng bằng cách đóng khóa, tức là tạo nên một

sức cân bổ sung để làm thay đổi đạc trưng của đường ống Có thể theo dõi quá trình

đó như trên hình 15.41 Nếu đường cong dưới là ứng với độ mở tối đa của khóa và lưu lượng bằng Q, thì khi giảm độ mở của khóa, đường đặc trưng của đường ống sẽ 686

dịch chuyển lên phía trên, còn lưu lượng sẽ giảm xuống (Q¡, Q¿, ) Khi đóng khóa hoàn toàn, lưu lượng sẽ bằng không Có thể điều chính lưu lượng máy bơm cánh bằng cách thay đổi tần số quay của nó Trong trường hợp này, đặc trưng của máy bơm vẽ trong tọa độ Q, H sẽ dịch chuyển theo (15-23), làm cho giao điểm của nó với đặc trưng của đường ống thay đổi theo Theo các chỉ tiêu về năng lượng thì phương pháp điều chỉnh lưu lượng này có lợi hơn phương pháp tiết lưu, nhưng trong thực tế lại rất khó thực hiện đối với động cơ điện dị bộ

Nối máy bơm song song vào một đường ống chung (hình 15.48a) thường được

sử dụng để tạo lưu lượng lớn Để xác định lưu lượng chung của một số máy bơm lầm việc song song, ta vẽ đặc trưng tổng của chúng Nếu các máy bơm là như nhau, thì đặc trưng tổng sẽ gấp hai, gấp ba hoành độ Q của đường đặc trưng của một máy bơm, như trình bày trên hình £5.48b GHI, Hị,;, H¡,2,;) Lưu lượng thực tế được xác định bằng giao điểm của đường đặc trưng tổng của các máy bơm với đường đặc trưng của đường ống, xuất phát từ điểm Hị khi Q = 0 Như ta thấy, lưu lượng thực tế Q¡,2, Q¡„›„; sẽ tăng lên, nhưng bé hơn 2, 3 lần v.v Có thể giải thích được điều đó bằng độ đốc của đường đặc trưng đường ống Đường đặc trưng đó càng đốc thì hiệu quả nối song song của các máy bơm càng kém Nếu ta ghép song song các máy bơm kiểu khác nhau, thì cần chọn các rnáy có cột nước làm việc gần như nhau

Nổi máy bơm liên tiếp (hình 15.49a) cho phép tăng cột nước làm việc Đặc trưng tổng của hai máy bơm nối liên tiếp được vẽ bằng cách cộng tung độ cột nước (Hi¿¿ = Hị + Hạ) như trình bày trên hình 15.49, Cũng làm như vậy, ta có các đường đặc trưng của ba máy v.v Bằng cách nối liên tiếp nhiều mấy bơm, ta có thể

có cột nước lớn và cấp nước lên một độ cao mà một máy bơm không cấp được (đường đặc trưng của đường ống thể hiện bằng đường chấm chấm, đi cao hơn đặc trưng của từng máy bơm riêng lẻ Tuy nhiên, cần chú ý là vỏ và các chỉ tiết khác của máy bơm được tính toán với một áp suất hạn chế, không cho phép chịu ấp suất quá tải Vì lưu lượng đi qua mỗi máy bơm đều giống nhau, nên đối với trường hợp nối liên tiếp cần chọn các máy bơm có lưu lượng gần như nhau, tức là có các kích thước gần bằng nhau

687

Chuong 16

MO HINH HOA THUY LUC

16.1 CAC KHAI NIEM CO BAN VE MO HINH HOA THUY LUC”

Mô hình hóa thủy lực dựa trên cơ sở các định luật tổng quát về tương tự các hệ

cơ học Hai đồng chất lỏng sẽ tương tự với nhau, nếu chúng tương tự hình học, cũng như nếu đối với tất cả các điểm tương ứng của hai đồng chảy, có các điều kiện tương tự về đặc trưng động học và động lực học Trong trường hợp này ta có các đẳng thức sau:

trong đó: L và /;T và t; V và vị a Và am; P Và Ð; Pạn va Pm Va cuối cùng là Vị Và Vụ

là các kí hiệu của chiêu dài, thời gian, vận tốc, gia tốc, lực (áp suất), mật độ và hệ

số nhớt động học của dòng tự nhiên và dòng mô hình, còn œ„, œ„ œ, v.v là các hệ

số tỉ lệ của chiều dài, thời gian, vận tốc v.v

Thường khi mô hình hóa các công trình thủy lợi, chất lỏng trong mô hình là nước có cùng mật độ và độ nhớt như trong dòng chảy thiên nhiên, ngoài ra thường, tiến hành các thí nghiệm trong các điều kiện dưới cùng một giá trị g (Bm = 8m) Yi vậy các hệ số tỉ lệ xích của mật độ, độ nhớt và gia tốc rơi tự do đều bằng một:

Gp = 1; a, = 1 va ay = 1 Trong cdc diéu kiện như vậy không có sự tương tự thật chính xác Trong thực tế, để đạt được sự tương tự tương đối giữa đồng tự nhiên và dòng mô hình cần phải bảo đảm có các điều kiện sau:

1 Tương tự hình học;

2 Tương tự các điều kiện ban đầu và điểu kiện biên trên mô hình;

3 Các tiêu chuẩn tương tự động lực trên mô hình và trong tự nhiên phải bằng nhau Khi tiến hành thí nghiệm phải chọn tiêu chuẩn đó sao cho phù hợp với các lực cơ bản là các lực tạo nên đồng chảy

+! Ở đây trình bày ngắn gọn các khái niệm về mô hình hóa trong khuôn khổ các bài toán tính sơ

bộ để nghiên cứu thủy lực phục vụ cho việc thiết kế các công trình thủy lợi khác nhau (đường ống, kênh, đập trần v.v

688

Hệ thức giữa các hệ số tỉ lệ xích được xác định theo các tiêu chuẩn tương tự đã dùng Có thể viết các hệ thức quan trọng nhất sầu đây:

chuẩn tương tự:

APL _ Apl La=—————=

Có thể biểu điễn số này như tích giữa số Ởle và số Râynôn:

La = Eu.Re

Ghi chú: Khi mô hình hóa dòng chảy chậm của chất lỗng nhớt, cân phải thực hiện đồng

thời sự tương tự về lực nhớt và vẻ độ chênh ấp suất

Tiêu chuẩn cơ bản của tương tự động lực là tiêu chuẩn Niutơn:

ye

MV tức là đối với các dòng chảy tương tự, số Niutơn nói trên phải như nhau

Tiêu chuẩn đó là hệ quả của định luật Niutơn thứ hai E = Mộ đo đó đối với

tự nhiên và mô hình có thể viết

Ghi chú: Sau khi thay các hệ số tỉ lệ vào công thức cuối cùng bằng các quan hệ của các

đại lượng vật lí tương ứng, ta có:

Đây chính là tiêu chuẩn cơ bản của tương tự động lực đã nói ở trên, tức là tiêu chuẩn

Niuton, được viết đưới dạng khác

Từ tiêu chuẩn cơ bản của Niutơn (16-3), có thể rút ra được các tiêu chuẩn tương

tự riêng cho các lực có nguồn gốc vật lí khác nhau Dưới đây sẽ trình bày các lực cơ bản và các tiêu chuẩn tương tự tương ứng với chúng thường gặp nhất trong các bài toán thủy lực:

Lực quán tính khi chuyển Số Xưukhan St= Me idem

Ghi chú: Các tiêu chuẩn tương tự cũng có vai trò như mọi thông số À„ạ = Am) và hệ số

(Cig = Cạn), mà theo các điều kiện mê hình hóa, trong các hệ tương tự phải giữ nguyên giá

trị không đổi Thí dụ khi mô hình hóa thủy lực trong các điều kiện gy, = Bm VA Pin = Pm Va

bỏ qua các lực nhớt, thì các hệ số tỉ lệ Oy = Ap = 1 cho phép ta lập được 4 các quan hệ:

690

Bang 16.1

Giải: Theo bảng 16.1 ta tính, đối với vận tốc a= Jo, và đối với lưu lượng

25

đọ =0

Lúc đó ta có:

Vân tốc trong tự nhiên V=va, = vu =0,5V25 = 2,5 m/s

Luu luong trong tynhién = Q = qa}? = 0,015.25 = 4,69 m/s

16.2 Lf THUYET BOCKINGAM (Dinh li Pi)

Mọi quan hệ vật lí cơ bản giữa các đại lượng thứ nguyên đều có thể biểu điễn và viết như quan hệ giữa các đại lượng không thứ nguyên - tức là các thông số mà trong các hệ tương tự có vai trò như các tiêu chuẩn tương tự Trong các trường hợp, khi đối với một hiện tượng vật lí đang xét (thí dụ, đối với một dòng chảy nào đó của chất lỏng), ta chưa biết được quan hệ hàm giữa các yếu tố gây nên hiện tượng đó, lúc đó để xác định mối liên hệ này ta nên sử dụng lí thuyết Bockingam (Dinh li Pi) Nội dung Định H đó như sau Mọi phương trình:

biểu điền mối liên hệ giữa n đại lượng vật lí có thứ nguyên, mà thứ nguyên của chúng được xác định qua m các đại lượng cơ bản (khối lượng, chiều dài và thời gian), déu cớ thể biến đổi thành phương trình (16-7):

691

biểu diễn mối liên hệ giữa (n — m) tổ hợp không thứ nguyên độc lập x được tạo nên tir (m + 1) đại lượng trong số các đại lượng có trong phương trình (16-6) Nếu

m =3, thì mỗi tổ hợp m; do đó sẽ chứa bốn thừa số

Việc xác định các tổ hợp không thứ nguyên nói trên được tiến hành theo các hệ

Ở đây, chỉ số mũ p; của thừa số thứ tự ở vế phải của mọi phương trình đều có thể lấy bằng giá trị thy ý, nhưng thường lấy nó bằng một vì điểu đó rất tiện trong thực

tế Chỉ số mũ của ba thừa số đầu xị, yj, Z¡ phải xác định sao cho tổ hợp tương ứng 7,

là không thứ nguyên Các chỉ số mũ xị, y¡, Z của các ø khác nhau sẽ khác nhau Ba đại lượng vật lí đầu tiên a¡, a;, a; chứa trong tất cả các tổ hợp, còn đại lượng thứ tư

thì thay đổi từ tổ hợp này sang tổ hợp khác

Ghỉ chú: Cân chú ý là nếu tất cả các đại lượng chứa trong phương trình (16-8) đều là các đại lượng động học thì thứ nguyên của chúng được xác định bằng hai đại lượng (chiều

đài và thời gian), vì vậy trong trường hợp này m = 2 và mỗi tổ hợp 7, được tạo nên tit (m + 1) đại lượng, tức là từ ba thừa số

Trinh tu tính toán để lập phương trình tiêu chuẩn (theo định lí PÐ được trình bày trong các thí dụ sau

Thí dụ 1: Giả thừ đối với một trường hợp chuyển động nào đó của chất lỏng, ta xác định được lưu lượng Q[L7T] phụ thuộc vào vận tốc v[L/T], vào diện tích mặt cat ngang của dòng chảy @[L?], vào mật độ p[FT’/L4, vào hệ số nhớt của chất lông, nÍFT12] và vào cột nước HỊL] Điều kiện đó được viết như sau:

Yêu cầu viết phương trình tiêu chuẩn

F(Œm, Tạ, , Xụ_m ) = Ú Trong đó mỗi m¡ phải được thể hiện qua các đại lượng đã chứa trong phương trình (16-9) Các đại lượng thứ nguyên này (gồm có sáu) được xác định qua ba đại lượng cơ bản (lực, chiêu dài, thời gian), vì vậy số lượng của tổ hợp không thứ nguyên r bằng ba: (n ~ m) = 3

692

Gidi:

1- Phương trình cần tìm có dạng: F(t), 2,73) =0 (16-10) Trong đó tương ứng với (16-9), đối với từng z;¡ có thể viết:

Tm = Vp

Ts = V0" p3Q 2- Bây giờ ta tính giá trị của các chỉ số mũ Xi, yị, 24 đối với mỗi Tụ,

Đối với 7, sau khi thay v, œ, Ð và k¿ bằng các thứ nguyên của chúng, ta có:

LT" pamper ]?[Er

3- Biểu thức (16-12) phải là biểu thức không thứ nguyên và các chỉ số mũ của L.T và F phải bằng không, tức là:

x, +2y, —4z,-2=0 -X,+2z,+1=0 z+1=0

Giai hé phuong trinh nay, ta được: xị =-]; y, “3 Và Z¡ =—l

Do đó ta sẽ có biểu thức sau đây cho mị:

my =v et pt ay ly pt,

H vYop

Do đó ta được: X; =-l; y„ =-l Và Z¿ =0 và tT =v op? Q=— vo

5- Phương trình tiêu chuẩn (16-10) cần tìm có dạng:

{Œ, t, V, g, Ap, p, v) =0 (16-13)

694

Giải: Thứ nguyên của từng đại lượng được xác định bằng ba đại lượng cơ bản đã chọn (chiều đài, thời gian, khối lượng):

3- Giải từng hệ phương trình ta được :

695

Đối với Ta:

Khi mô hình hóa chuyển động của chất lỏng, phương trình tiêu chuẩn ở dạng

tổng quát có thể viết là:

trong đó k/R - độ nhám tương đối của thành ống dẫn, còn các kí hiệu khác vẫn như cũ

Trong chuyển động có áp khi không có các lực thể tích trọng trường, phương,

tiêu chuẩn (16-16) sẽ không chứa số Frud cồn nếu trạng thái chảy là ổn định thì cũng mất cả tiêu chuẩn St nên phương trình tiêu chuẩn có dạng:

Trong tiêu chuẩn Ơle có độ chênh áp suất là đại lượng chưa biết, do đó tiêu chuẩn quyết định là số Re, nên từ biểu thức (16-Lớ) có thể rút ra các điều kiện mô hình hóa dưới dạng: