Bài giảng - Thủy điện 2- chương 3&4 potx

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

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

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

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 turbin động 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 thực nên làm

bằng kim loại có tính chống khí thực cao Ví thép không rỉ có hàm lượdụ ng crôm chím

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

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

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

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

III 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:

h

2 2 2

2

2 2

2

Viết phương trình Becnulli cho mặt cắt 2-2 và 5-5:

2 2 2

2

2 5 2

2

2 5

g h

chú ý rằng p5 Z5 pa B

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

Z

⎝

Trong công thức (3-1) gọi: Zxlà "độ chân không tĩnh " hay " độ cao hút nước"

và ký hiệu là HS = Zx; 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

5

2

−

⎛

⎝

⎠

Thay (3-2) vào (3-1) và ta có:

γ = γ − Hs−σH và điều kiện để không phát sinh khí thực tại x - x là:

px pa Hs H

γ = γ − −σ ≥ phh; rút ra σ ≤ a

s hh

p H

p

γ − − γ = Ha−Hs−Hhh;

Từ điều kiện chuẩn nhiệt độ bình thường (150 - 300) thì áp suất hoá hơi khoảng (0,18÷0,43m cột nước), lấy phh= 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 - ∇

∆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;

- Turbin tâm rục trục đứng thì He t Slấy từ mép dưới cánh hướng dòng đến m

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

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):

hút nước; để không phát sinh khí thực thì độ cao

càng an toàn

tr

Cao trìn

vớ m trục trục đ

lm Zhl Hs bo

- Đối với turbine hướng trục trục đứng (hình 3-3,c):

lm Zhl Hs x D

1÷0,46

i turbine trục

Với x = 0,4

- Đối vớ ngang (hình 3-3,b):

2

D H

s hl

lm = + −

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

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

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

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 d

ừ

g 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 theoU

→

, 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

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

eoU

→

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

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

trục to

ận tốc vòng có g gây ômen hai thành ômen quay vớ ậy ta chỉ s ốc vòng

để thiế

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;

-

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

cánh kế tiếp nhau sẽ rất hẹ

với tuyến AB của cánh (hình 4-1,e);

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 = dt1 (L2−L1)=Mc (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

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

.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:

L =m V r .cosα =ρq dt V r1 1 α1

L =m V .r cosα =ρ .q dt V r cosα

Thay giá trị L1 và L2 vào (4-1) ta có: dL=ρq r V( 2 2cosα2−r V1 1cosα1=Mc (*)

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

ρq r V( 1 1cosα1− r V2 2cosα2=Mn (**)

Phương trình (**) lập cho một dòng nguyên tố chảy trong BXCT,

dòng chảy trong toàn BXCT ta thay Q =

để mở rộng cho toàn

Σqvà M = ΣMnvà nhân hai vế của (**) với vận tốc góc ω ta có:

ρQ V r( 1 1 .cosω α1− V2.r2 .cosω α2)=M.ω;

Mặt khác, ta biết r1.ω = U1 ; r2.ω =U2; và M.ω = N = ρg Q H Từ đó rút ra:

H = 1( V U cos −V U cos )

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)

= 1( 1 1cos 1− 2 2cos 2) Từ đây rút ra phương trình cơ bản ở dạng khác, dùng cho turbine thực tế:

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

g H(V U cos V U cos ) (4-3)

hP ươn trình -3) dog (4 viện sỹ Eule 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

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 V

tứ

n

V

ra

N

khi đến gáo, tia nước được tách ra hai phần bằng nhau và chảy vào hai nửa gáo dạng

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 V2 rất nhỏ, còn v

gáo thì W1= W2 Điểm vào (1) và điểm ra (2) cách trục một k

vậy mà U1=U2=U Dựa vào tam giác tốc độ cửa vào và cửa, thành trong (4-3) sẽ là:

V cosα =U +W cosβ =U+Wcosβ =U+(V − U) cosβ (**)

Thay (*) và (**) vào (4-3) ta có phương trình cơ bản (4-4) của turbine xung kích gáo:

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- cosβ2) lớn nhất, muốn vậy góc β =2 1800 Nhưng vì nếu β =2 1800thì phương của W2 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

trên mô hình áp dụng cho turbine thực tế cần phải có hững

2

phía sau cánh trước làm giảm mômen quay của BXCT, do vậy lấy 0 0

2 =176 ÷177

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 0T

M

Tập hợ

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

T

M T

M T

V

V

U U

W W

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 = 2

V

g l ), Struchan (Sh = V

n l ) và Ơle (Eu = p

V

ρ 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 α α β β1, 2, 1, 2và 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

ηtlgH=U1⋅V1⋅cosα1 Mặt khác theo tam giác tốc độ và lượng giác ta có:

sinα = sin (β −α ) = sinβ1

do vậy: V1= U1 1

⋅

−

sin

β

β α và: W1= U1 1

⋅

−

sin

α

β α ; do vậy ta có:

ηtlgH=U1⋅V1⋅cosα1= 2 1 1 1

−

sin cos

Từ đây rút ra:

1

U = sin ( − ) g tlH =Ku g tlH

cos sin

tương tư ta cũng rút ra được các tốc độ sau:

1 1

sin

β

1

2

2sinβ cosα sin (β −α ) 2gηtlH =KW 2

Các hệ số Ku,Kv,Kw 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 α1và β1cửa 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):

60

1M

60

1

Ở chế độ làm việc cùng góc thì KuM=KuT, vì vậy nếu lập tỷ số cho hai vận

tốc trên ta có: M

T

T

n n

= 1 1M

η

ηtlT (4-11)

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:

η .Q =F .W1M=F . . .η

qT QT FT W T FT KWT g HT tlT

Đối với turbine cùng kiểu thì tỷ số tiết diện F tỷ lệ với bình phương đường kính, nghĩa

là 1M

1

1M2

12

F

F

D

D

= , lập tỷ số lưu lượng ta có:

QM = D H

2

3 Quan hệ về công suất

Công suất của turbine mô hình và thực được tính như sau:

N = 9 81, Q H η

N = 9 81, Q H 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

N

12 η η η (4-13)