giáo trình turbin thuỷ lực

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG GIÁO TRÌNH Q - Lưu lượng S - Công suất biểu kiến kVA; hành trình piston động cơ tiếp lực ĐCTL To - Thời gian mở cánh hướng nước Ts - Thời gian đóng cánh hướng n

GIÁO TRÌNH

TUABIN THUỶ LỰC

MỤC LỤC

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG GIÁO TRÌNH 6

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TUABIN THỦY LỰC 7

1.1 Tuabin nước và sự phát triển của nó 7

1.2 Phân loại tuabin 9

1.2.1 Tuabin phản kích 10

1.2.2 Tuabin xung kích 11

1.3 Khái quát về cấu tạo tuabin 12

1.3.1 Cấu tạo của tuabin phản kích 13

1.3.2 Cấu tạo của tuabin gáo 24

1.4 Các bộ phận phụ của tuabin 25

1.4.1 Van phá chân không 25

1.4.2 Van xả không tải (van xả bỏ) 26

1.4.3 Van tuabin 27

1.5 Câu hỏi chương 1 28

CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA TUABIN 29

2.1 Khái niệm về chuyển động tương đối và tuyệt đối, hình tam giác tốc độ. 29

2.2 Phương trình cơ bản của tuabin 30

2.3 Dòng chảy trong tuabin xung kích 32

2.3.1 Tam giác tốc độ cửa vào và cửa ra BXCT 32

2.3.2 Phương trình cơ bản của tuabin gáo 33

2.4 Sự tổn thất năng lượng và hiệu suất của tuabin 34

2.4.1 Tổn thất dung tích (ΔQ) 34

2.4.2 Tổn thất thủy lực (ΔH) 34

2.4.3 Tổn thất cơ khí 34

2.5 Điều kiện hiệu suất cao của tuabin 35

2.4.1 Chảy vào không va 35

2.4.2 Chảy ra thẳng góc (hình 2.6) 36

2.6 Sự điều chỉnh lưu lượng 38

2.7 Câu hỏi chương 2 40

CHƯƠNG 3: THUYẾT TƯƠNG TỰ VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG 41

QUY DẪN CỦA TUABIN 41

3.1 Khái niệm cơ bản 41

3.2 Các điều kiện tương tự 41

3.2.1 Tương tự về hình học 41

3.2.2 Tương tự về động học 41

3.2.3 Tương tự về động lực học 42

3.3 Các hệ số vận tốc dòng chảy trong BXCT 43

3.4 Tương quan giữa số vòng quay, lưu lượng và công suất của hai tuabin cùng kiểu làm việc với chế độ cùng góc 44

3.4.1 Quan hệ về số vòng quay 44

3.4.2 Quan hệ về số lưu lượng 44

3.4.3 Quan hệ về cột nước tuabin 44

3.4.4 Quan hệ về công suất 45

3.5 Các đại lượng quy dẫn 45

3.5.1 Khái niệm chung 45

3.5.2 Các đặc trưng quy dẫn của tuabin 45

3.5.3 Quan hệ giữa các đại lượng quy dẫn với dạng cánh BXCT và chế độ làm việc của nó 46

3.5.4 Sự liên hệ giữa các đại lượng quy dẫn của các tuabin cùng kiểu có hiệu suất khác nhau.

47

3.6 Số vòng quay đặc trưng của tuabin (tỷ tốc n s của tuabin) 48

3.7 Hiệu suất của hai tuabin tương tự về hình học (cùng kiểu) 49

3.8 Câu hỏi chương 3: 51

CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ DẪN NƯỚC VÀ THÁO NƯỚC CỦA TUABIN PHẢN KÍCH 52

4.1 Phân loại, tác dụng và cấu tạo của buồng tuabin 52

4.1.1 Tác dụng và phân loại 52

4.1.2 Các kiểu buồng tuabin và phạm vi ứng dụng 52

4.1.3 Các thông số cơ bản của buồng xoắn 54

4.2 Ảnh hưởng của buồng xoắn đến đặc tính tuabin 57

4.2.1 Các loại tổn thất 57

4.2.2 Phương pháp tính toán thủy lực. 58

4.3 Lựa chọn kích thước buồng tuabin cỡ nhỏ 60

4.3.1 Buồng hở chữ nhật dùng cho tuabin trục đứng (hình 4.5) 60

4.3.2 Buồng hở chữ nhật dùng cho tuabin trục ngang (hình 4.6) 60

4.4 Stato tuabin 64

4.5 Công dụng của ống hút 66

4.5.1 Tuabin không có ống hút (hình 4.5a). 67

4.5.2 Tuabin có ống hút hình trụ (hình 4.5b). 67

4.5.3 Tuabin có ống hút hình nón cụt (hình 4.5c) 68

4.6 Tổn thất năng lượng của ống hút 70

4.6.1 Tổn thất thủy lực bên trong ống hút 70

4.6.2 Tổn thất động năng ở cửa ra ống hút 71

4.6.3 Hệ số thu hồi động năng của ống hút 72

4.7 Các kiểu ống hút thường dùng 74

4.7.1 Ống hút chóp 74

4.7.2 Ống hút cong 79

4.8 Câu hỏi chương 4 83

CHƯƠNG 5: KHÍ THỰC VÀ CHIỀU CAO HÚT CỦA TUABIN 84

5.1 Hiện tượng khí thực và tác hại của nó 84

5.1.1 Nguyên nhân hình thành của hiện tượng khí thực 84

5.1.2 Loại khí thực 85

5.1.3 Tác hại của khí thực 86

5.2 Hệ số khí thực 87

5.3 Xác định chiều cao hút và cao trình lắp đặt tuabin của trạm thủy điện 88

5.4 Các biện pháp phòng chống khí thực 91

5.5 Phương pháp thí nghiệm khí thực 92

5.6 Câu hỏi chương 5: 93

CHƯƠNG 6: THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VÀ ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH TUABIN 94

6.1 Ý nghĩa và nhiệm vụ của thí nghiệm mô hình 94

6.2 Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm 94

6.3 Đường đặc tính tuabin 97

6.3.1 Đường đặc tính tuyến tính 98

6.3.2 Đường đặc tính tổng hợp 98

6.4 Quan hệ giữa đường đặc tính thường dùng với loại tuabin. 102

6.4.1 Đường đặc tính tổng hợp chính 102

6.4.2 Đường đặc tính công tác 102

6.4.3 Đường đặc tính tổng hợp vận hành 103

6.5 Xây dựng đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin đã chọn 104

6.5.1 Tính đổi đường quan hệ hiệu suất. 104

6.5.2 Tính đổi đường hạn chế công suất 107

6.5.3 Vẽ đường đồng chiều cao hút Hs. 109

6.6 Các đường đặc tính của trạm thủy điện 109

6.7 Câu hỏi chương 6 124

CHƯƠNG 7 CHỌN KIỂU LOẠI VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TUABIN 125

7.1 Vấn đề tiêu chuẩn hóa tuabin 125

7.2 Phạm vi sử dụng cột nước của các loại tuabin thường dùng hiện nay 128

7.3 Chọn tuabin theo đường đặc tính tổng hợp chính (ĐĐTTHC). 129

7.3.1 Chọn hệ tuabin và kiểu BXCT 130

7.3.2 Xác định các thông số cơ bản của tuabin 131

7.3.3 Số vòng quay lồng 134

7.3.4 Lực dọc trục 134

7.3.5 Buồng tuabin 134

7.3.6 Ống hút 134

7.4 Chọn tuabin theo biểu đồ sản phẩm 134

7.5 Lựa chọn các thông số cơ bản của tuabin gáo 135

7.4.1 Các thông số thủy lực cơ bản của tuabin gáo. 135

7.4.2 Xác định các thông số cơ bản của tuabin gáo. 137

7.6 Ví dụ về chọn tuabin 138

7.7 Câu hỏi chương 7: 145

CHƯƠNG 8: ĐIỀU CHỈNH TURBIN NƯỚC 146

8.1 Nhiệm vụ cơ bản của điều chỉnh tuabin 146

8.2 Cấu tạo và đặc điểm của hệ thống điều chỉnh turbin nước 147

8.3 Các sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ turbin 148

8.3.1 Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động trực tiếp 148

8.3.2 Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp. 149

8.4 Sự làm việc song song của các turbin. 152

8.5 Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc phản hồi mềm có độ không đều còn dư 155

8.5.1 Bộ phận thay đổi số vòng quay. 158

8.5.2 Bộ phận hạn chế độ mở. 158

8.6 Các sơ đồ nguyên lý điều chỉnh kép 159

8.8.1 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh kép của turbin cánh quay. 159

8.8.2 Sơ đồ điều chỉnh kép ở turbin tâm trục có cột nước cao 160

8.8.3 Sơ đồ điều chỉnh kép của turbin gáo 160

8.7 Thiết bị dầu có áp của máy điều tốc 161

8.8 Động cơ tiếp lực 163

8.8.1 Động cơ tiếp lực để quay cánh hướng nước 163

8.8.2 Động cơ tiếp lực của BXCT turbun cánh quay 164

8.8.3 Động cơ tiếp lực của van xả không tải 165

8.8.4 Động cơ tiếp lực của turbin gáo. 166

8.9 Lựa chọn hệ thống điều chỉnh 166

8.9.1 Lựa chọn máy điều tốc 166

8.9.2 Lựa chọn thiết bị dầu áp lực (TBDAL) 167

8.10 Tính toán bảm đảm điều chỉnh tô máy phát điện thủy lực 168

8.10.1. Độ tăng áp lực nước trong quá trình điều chỉnh

168

8.10.2. Nước va trong hệ thống dẫn nước có tiết diện thay đổi theo chiều dài.

171

8.10.3. Sự thay đổi tốc độ quay của turbin trong quá trình điều chỉnh

173

8.11 Câu hỏi chương 8: 176

CHƯƠNG 9: PHỤ LỤC 177

9.1 Máy phát điện thủy lực 177

9.1.1 Kí hiệu máy phát điện 177

9.1.2 Bảng tra các loại máy phát điện thủy lực 181

9.2 Tuabin thủy lực 181

9.2.1 Trọng lượng turbin 181

9.2.2 Tính nhanh kích thước buồng xoắn 182

9.3 Đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin (ĐTTTHC) 183

9.4 Máy điều tốc 196

TÀI LIỆU THAM KHẢO 201

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG GIÁO TRÌNH

Q - Lưu lượng

S - Công suất biểu kiến (kVA); hành trình piston động cơ tiếp lực (ĐCTL)

To - Thời gian mở cánh hướng nước

Ts - Thời gian đóng cánh hướng nước

ζ - độ tăng áp lực nước va; hệ số tổn thất

ζ1 - độ tăng áp lực nước va ở pha thứ nhất

ζm - độ tăng áp lực nước va ở pha cuối cùng

η - Hiệu suất

Δη - Độ hiệu chỉnh hiệu suất

ρ - hằng số đặc tính đường ống áp lực; bán kính tiết diện buồng xoắn kim loại

σ - hệ số khí thực, hằng số đặc tính đường ống áp lực

σct - hệ số khí thực công trình

τ - độ mở tương đối của tuabin

τo - độ mở tương đối ban đầu

τt - độ mở tương đối cuối cùng

ϕmax- góc bao lớn nhất của buồng xoắn

ω - vận tốc góc

W - vận tốc tương đối

Γ - lượng chảy vòng

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TUABIN THỦY LỰC

1.1 Tuabin nước và sự phát triển của nó

Tuabin nước (Tuabin thủy lực) là một trong những thiết bị chủ yếu của Trạm Thủy Điện, được dùng để biến đổi năng lượng dòng nước (thủy năng) thành cơ năng làm quay máy phát điện Tổ hợp tuabin và máy phát đện gọi là tổ máy phát điện thủy lực

Nó có hàng loạt các ưu điểm sau:

- Hiệu suất của tổ máy phát điện thủy lực có thể đạt rất cao so với tổ máy nhiệt điện

- Thiết bị đơn giản, dễ tự động hoá, có thể điều khiển từ xa

- Ít sự cố và cần ít người vận hành

- Có khả năng làm việc ở phần phụ tải thay đổi

- Thời gian mở máy và thời gian dừng máy ngắn

- Không làm ô nhiễm môi trường

Đặc điểm thủy năng là một dạng năng lượng tái tạo được và có khả năng lợi dụng tổng hợp, do đó giá thành cho 1kWh điện do TTĐ phát ra rẻ hơn rất ngiều lần so với trạm nhiệt điện Tuy vậy việc sử dụng thủy năng cũng có nhược điểm là điện lượng phát ra phụ thuộc vào sự phân bố dòng chảy theo thời gian, hơn nữa nhà máy thường xây dựng ở những nơi xa các trung tâm công nghiệp và các khu đô thị lớn nên đường dây tải điện dài, vốn đầu tư dựng TTĐ lớn, thời gian thi công dài nhưng nói chung về mặt kinh tế thủy điện vẫn tối ưu hơn

tuabin nước là loại máy thủy lực đầu tiên loài người dùng để sử dụng năng lượng thiên nhiên phục vụ đời sóng và sản xuất Ở Ai Cập, Ấn Độ và Trung Quốc vào khoảng

1000 năm trước công nguyên đã sử dụng bánh xe nước với các dạng: bánh xe nước tác động dưới, bánh xe nước tác động giữa và bánh xe nước tác động trên dưới dạng biến đổi năng lượng Đến nay ở nước ta bánh xe nước vẫn được sử dụng trên các suối vùng núi và trung du

Hình1-1: Các dạng bánh xe nước

Tuy nhiên mãi tới thế kỷ 16 thì việc sử dụng năng lượng nước mới tương đối rộng rãi và bánh xe nước mới có những cải tiến lớn Nhưng từ bánh xe nước đến tuabin nước loài người phải trải qua tìm kiếm và nghiên cứu khá dài

Động cơ nước đầu tiên làm việc theo nguyên lý tác dụng phản kích của dòng nước

do Beckeca người Anh (1745) và Xênhêra người Hung ga ri (1750) sáng chế Kết cấu của loại động cơ này rất còn thô sơ nên hiêu suất rất thấp (khoảng 35÷40%)

Trên cơ sở nghiên cứu và cải tiến động cơ nước của Xênhêra, nhà bác học Nga Ơle (1707-1783) đã thiết kế một loại động cơ nước khác, trong đó bộ phận hướng nước có cấu tạo giống bộ phận hướng nước của tuabin thường dùng hiện nay Đến năm 1826 một giáo sơ người Pháp tên là Budena đã tìm ra một loại động cơ nước mới, được gọi

là tuabin, tiếng La tinh, Tuabinens có nghĩa là các động cơ dạng xoắn ốc Loại động cơ này cũng có đầy đủ các bộ phận như các bộ phận của các tuabin phản kích thường dùng hiện nay Nhưng hình dạng cánh bánh xe công tác còn quá thô sơ và hiệu suất thấp nên vẫn chưa được ứng dụng trong thực tế Trên cơ sở tiếp tục cải tiến tuabin của mình, khoảng thời gian 1827 – 1834 Budena đã sáng chế ra loại tuabin li tâm (hình 1.2a) có bộ phận hướng nước của tuabin gồm các cánh hướng nước cố định vòng quanh BXCT Lưu lượng được điều chỉnh nhờ van hình trụ đặt giữa bộ phận hướng nước và BXCT

Cho đến đàu thế kỷ 18 vì chưa có cơ sở lí luận cũng như thiết kế nên công việc nên việc chế tạo động cơ nước mang tính thô sơ, riieng lẻ

Tuabin nước được chế tạo đầu tiên ở Liên Xô (1837) do U.E.Xaphônô sáng chế, đó cũng là loại tuabin phản kích li tâm với các cánh hướng nước cố định So với các kiểu tuabin nói trên, tuabin của Xaphônô có hiệu suất và tốc độ cao so với điều kiện sản xuất lúc bấy giờ (khoảng 70%)

Từ đầu thế kỷ 19 các tuabin hiện đại có cấu tạo hoàn chỉnh đã thay thế cho bánh xe nước và các động cơ nước trên đây Những tiến bộ trong lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo tuabin phát triển rất nhanh, thời kì sau đó các tuabin hiện đại được xuất hiện Tuabin tâm trục do kỹ sư Frăngxit (người Pháp) chế tạo năm 1830 Cùng với việc nghiên cứu phát minh loại tuabin phản kích, năm 1880 Pentơn đã sáng chế ra tuabin xung kích

Đến năm 1900 bộ phận hướng nước của tuabin này được cải tiến thành vòi phun và van kim giống như tuabin gáo ngày nay

Tuabin cánh quạt xuất hiện năm 1918, đến năm 1919 tuabin cánh quay ra đời (do

kỹ sư Kaplan (người Mỹ) tìm ra) Đồng thời năm 1918 tuabin xung kích 2 lần do Bunki (người Hung ga ri) phát minh Còn tuabin cánh chéo mãi đến năm 1950 mới xuất hiện (do giáo sư Liên Xô V.C.Kvalopki) sáng chế, nó là loại trung gian giữa tuabin tâm trục và cánh quay

Từ giữa thế kỷ 19 đến nay ngành sản xuất tuabin phát triển rất nhanh

Ngày nay việc chế tạo tuabin phát triển theo hướng nâng cao các thông số kỹ thuật như: tăng tỷ tốc và công suất của một tổ máy, giảm hệ số khí thực

Hình 1.2a: Tuabin ly tâm của Budena Hình 1.2b: Tuabin Pentơn

Ở nước ta hiện nay đã có nhiều cơ sở đầu tư tiến bộ khoa học kỹ thuật cho việc chế tạo tuabin nước Chúng ta đã chế tạo được một số tuabin nhỏ Trong tương lai chúng ta

sẽ chế tạo tuabin loại lớn hơn phục vụ cho công cuộc điện khí hoá và phục vụ sản xuất

ở các địa phương xa lưới điện quốc gia

1.2 Phân loại tuabin

Dựa vào việc xây dựng các công trình thủy công người ta có thể tạo ra các cột nước của TTĐ rất khác nhau từ 1÷2m cho đến hàng nghìn m, lưu lượng nước cũng biến đổi rất lớn từ vài chục l/s đến hàng trăm m3/s nếu như điều kiện dòng chảy và địa hình cho phép Yêu cầu đối với tuabin là có đủ khả năng đảm bảo sử dụng năng lượng dòng chảy với hiệu suất cao mà không bị hạn chế bởi bất kỳ cột nước và lưu lượng nào Do

đó cần có đủ các loại tuabin khác nhau về cấu tạo, kích thước cũng như quá trình làm việc của chúng Khảo sát các thành phần năng lượng của dòng chảy chúng ta thấy năng lượng của dòng nước truyền cho bánh xe công tác cuả tuabin bằng độ chênh năng lượng của dòng chảy ở cửa vào và cửa ra

4 43 4

42 1 4

4

4 4

1

n¨ng éng

§ n¨ng

ThÕ

g

V V

p p Z

Z H

2 )

(

2 2 2

2 1 1 2

1 2

1

α

α γ

− +

−

=

Vậy năng lượng dòng chảy gồm hai phần: Thế năng và động năng Tùy theo dạng năng lượng của dòng chảy qua bánh xe công tác mà chia tuabin nước thành hai loại khác nhau: Tuabin xung kích và Tuabin phản kích

Tuabin phản kích là loại tuabin lợi dụng cả hai phần thế năng và động năng mà chủ yêu là thế năng của dòng chảy ( ) ⎥

− +

â ă

p p Z

Z >0 Trong hệ tuabin này áp lực ở cửa vào luôn lớn hơn áp lực cửa ra Vì tiết diện ướt của BXCT co hẹp dần nên vận tốc dòng chảy qua tuabin tăng dần Vì vậy BXCT của tuabin phản kích bao giờ cũng làm việc trong môi trường chất lỏng kín và liên tục và sự chênh lệch về áp lực ở cửa vào và cửa ra của BXCT quyết định đặc tính công tác của loại tb này

Tuabin xung kích là loại tuabin chỉ lợi dụng phần động năng của dòng chảy tác dụng lên BXCT còn phần thế năng bằng không Ở tuabin này dòng chảy khi ra khỏi vòi phun thì toàn bộ thế năng dòng chảy biến thành động năng truyền năng lượng cho BXCT Vì chảy trong môi trường khí quyển nên chuyển động của dòng chảy trên các cánh BXCT là chuyển động không áp nên còn gọi là tuabin dòng phun tự do

Tuabin phản kích và tuabin xung kích có tính năng và phạm vi sử dụng khác nhau Tuabin dùng cho TTĐ có cột nước thấp và trung bình, lưu lượng lớn còn tuabin xung kích dùng cho TTĐ có cột nước cao, lưu lượng nhỏ

1.2.1 Tuabin phản kích

Tuabin phản kích là hệ tuabin được sử dụng rộng rãi nhất với phạm vi cột nước từ 1,5m đến 500m Nó chuyển động do phản lực (lực phản tác dụng) của dòng nước lên cánh bánh xe công tác hình thành mômen quay của bánh xe công tác làm cho tuabin quay Trong quá trình làm việc bánh xe công tác ngập toàn bộ trong dòng chảy áp lực

vì thế nên còn gọi là dòng phun có áp

Theo sự khác nhau về hướng chảy của chất điểm dòng chảy trong bánh xe công tác

có thể chia tuabin phản kích thường dùng ra làm ba loại: tuabin hướng trục (hình1-2a, 1-2d), tuabin tâm trục (hình1-2c) và tuabin cánh chéo (hình1-2b)

Hình 1-3: Sơ đồ các phần qua nước của tuabin phản kích

a) Hướng trục trục đứng; b) Cánh chéo;

c) Tâm trục; d) Hướng trục trục ngang; e) Gáo

a Tuabin tâm trục (hình 1-2c): Đặc điểm của tuabin tâm trục là dòng nước chảy vào bánh xe công tác theo mặt nằm ngang thẳng góc với trục sau đó đổi hướng dòng chảy song song với trục và ra khỏi BXCT Tuabin còn được gọi là tuabin Franxit, nó được sử dụng ở các TTĐ có cột nước cao H = 30 ÷ 500m

b Tuabin hướng trục (hình 1-2a, d): Tuỳ theo đặc điểm về cấu tạo và phương thức lắp trục, tuabin hướng trục có thể chia thành: Kiểu cánh quạt, kiểu cánh quay và kiểu chảy thẳng

Kiểu cánh quạt và kiểu cánh quay có dòng chảy vào và dòng chảy ra khỏi BXCT song song với trục tuabin Chỉ khác nhau ở chỗ: tuabin cánh quạt thì cánh tuabin được gắn chặt với bầu BXCT còn ở tuabin cánh quay thì cánh tuabin có thể quay quanh trục cánh Loại tuabin này thích hợp với cột nước thấp từ 3 ÷ 40m (cá biệt có cột nước H tới 80m) Do đặc tính công tác kém nên tuabin cánh quạt thường dùng cho TTĐ nhỏ còn tuabin cánh quay có hiệu suất cao trong phạm vi điều chỉnh vòng nên được sử dụng với các TTĐ lớn và trung bình

Đối với tuabin chảy thẳng thường sử dụng phương thức lắp trục ngang và có năng lượng tương đối tốt ở những TTĐ có cột nước thấp, do đó trong tương lai sẽ được áp dụng rộng rãi để khai thác năng lượng thủy triều

c Tuabin hướng chéo (hình 1-2b): Đây là loại tuabin được kết hợp giữa tuabin tâm trục và tuabin cánh quay Loại này được sử dụng trong phạm vi H = 30 ÷ 150m Ở nước ta các loại tuabin này chưa được sử dụng

1.2.2 Tuabin xung kích

Tuabin xung kích gồm các kiểu chủ yếu sau:

- Tuabin gáo (hình 1-4)

- Tuabin tia nghiêng (hình 1-3a)

- Tuabin xung kích hai lần (hình 1-5)

Hình 1.4: Turrbin gáo

1 Vòi phun; 2 Cánh BXCT; 3 Miệng phun; 4 Van kim; 5 Vỏ máy

Hình 1.5: Tuabin xung kích hai lần

a Tuabin gáo (hình 1-4)

Tuabin gáo là loại tuabin xung kích có tính năng công tác tốt nhất và được sử dụng nhiều nhất với các loại TTĐ và vừa có cột nước cao (từ 300 ÷ 2000m) và lưu lượng nhỏ Ở nước ta TTĐ Đa Nhim dùng tuabin gáo có H = 800m và công suất một

tổ máy N = 40MW

b Tuabin tia nghiêng (hình 1-3a)

Tuabin này có trục tia nước tạo với mặt phẳng BXCT một góc nghiêng Loại này hiện nay hầu như không còn sử dụng nữa vì hiệu suất và tính năng làm việc kém

c Tuabin xung kích hai lần (hình 1-5)

Với tuabin nay dòng chảy hai lần tác động lên cánh bánh xe công tác Tuabin này thường được dùng cho các TTĐ cỡ nhỏ có N = 5 ÷ 100KW

Trong tất cả các loại tuabin hiện tại trên, ngày nay được sử dụng rộng rãi nhất

và có lịch sử lâu dài nhất là:

Tuabin gáo dùng với cột nước cao (200 ÷ 2000m)

Tuabin tâm trục dùng với TTĐ có cột nước vừa (30 ÷ 700m)

Tuabin cánh quay dùng ở TTĐ loại lớn và vừa có cột nước thấp (6 ÷ 80m) Tuabin cánh quạt dùng ở TTĐ vừa và nhỏ có cột nước thấp (6 ÷ 80m)

Bốn loại tuabin này đã có những cống hiến to lớn trong sự nghiệp lợi dụng thủy năng thiên nhiên Trong cuốn sách này chủ yếu giới thiệu về bốn loại tuabin nói trên

1.3 Khái quát về cấu tạo tuabin

Trong tuabin nước bộ phận ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tuabin đó là phần dẫn dòng Phần dẫn dòng gồm ba bộ phận chính là:

- Buồng dẫn Tuabin

- Bánh xe công tác

- Ống hút tuabin

Hình 1.6: Mặt cắt dọc tổ máy

Các bộ phận phụ của tuabin gồm trục tuabin, ổ dẫn hướng, các thiết bị bôI trơn cho

ổ trục, trục tuabin và trục máy phát, thiết bị điều chỉnh sự làm việc đồng bộ của tuabin

và máy phát

Sau đây trình bày tỉ mỉ hơn kết cấu của các loại tuabin được sử dụng rộng rãi hiện nay

1.3.1 Cấu tạo của tuabin phản kích

Tuabin phản kích gồm có hệ tuabin tâm trục, cánh quay và cánh quạt, BXCT của tuabin phản kích làm việc trong môi trường chất lỏng liên tục và áp lực nước ở phía trước BXCT thường lớn hơn phía sau của nó Xét về mặt cấu tạo, bất kì một hệ tuabin phản kích nào cũng gồm những bộ phận chính sau đây: Buồng tuabin, stato, bộ phận hướng nước (BPHN), BXCT, buồng BXCT, ống hút, trục, ổ trục và các thiết bị phụ của nó Sáu bộ phận đầu hình thành bộ phận dẫn dòng (hay bộ phận qua nước) của tuabin còn trục và ổ trục là bộ phận kết cấu có nhiệm vụ tiếp nhận và truyền mômen quay từ BXCT đến rôto của máy phát điện Trong các bộ phận nước qua thì BXCT là

bộ phận trực tiếp biến đổi thủy năng thành cơ năng chuyển động quay Bộ phận hướng nước có tác dụng làm thay đổi trị số và hướng vận tốc dòng chảy trước khi đi vào BXCT, còn ống hút được dùng để tháo nước từ BXCT về hạ lưu TTĐ

Dưới đây là cấu tạo các hệ tuabin phản kích

a Tuabin tâm trục

Như trên đã nói, chiều dòng nước lúc chảy vào BXCT tuabin tâm trục là hướng tâm (thẳng góc với trục quay) còn chảy ra khỏi BXCT thì theo hướng trục bởi thế hệ tuabin này gọi là tâm trục (ở một số nước còn gọi là tuabin Franxit) Phạm vi sử dụng cột nước của tuabin này từ 30 ÷ 550m Hiện nay tuabin tâm trục lớn nhất được lắp ở TTĐ

Kraxnôia (Liên Xô cũ) có công suất 50800KW và đường kính D1 = 7,5m Hình 1.12 biểu thị mặt cắt dọc của tuabin tâm trục Sau đây ta nghiên cứu cấu tạo các bộ phận chủ yếu của tuabin tâm trục

a.1 Buồng tuabin

Buồng tuabin có tác dụng dẫn nước đều đặn vòng quanh bộ phận hướng nước của tuabin, gồm các kiểu: hở, chính diện, xoắn bê tông và xoắn kim loại Buồng hở có cấu tạo đơn giản, thường được dùng ở các TTĐ có cột nước H < 10m, đường kính D1 < 1,6m Còn đối với các tuabin có kích thước và cột nước lớn hơn thì BXCT không bố trí trong buồng hở mà trong buồng kín có mặt bằng hính xoắn ốc (còn gọi là buồng xoắn) nhờ đó sẽ đảm bảo cho phần dưới nước lẫn phần trên nước của TTĐ sẽ có kích thước nhỏ hơn Trong chương 5 sẽ giới thiệu tỉ mỉ về buồng tuabin

a.2 Stato tuabin (vòng bệ)

Sau khi qua buồng tuabin, nước sẽ chảy đến stato tuabin rồi vào bộ phận hướng nước Stato tuabin có tác dụng truyền toàn bộ tải trọng phần trên nhà máy gồm trọng lượng toàn bộ tổ máy, sàn và bệ máy phát điện, áp lực nước dọc trục tác dụng lên BXCT và khối bê tông phủ trên nó xuống móng nhà máy Stato tuabin gồm một số cột chống (2) với tiết diện ngang hình đường dòng liên kết với vành đỡ trên (1) và vành đỡ dưới (3) (hình 1.4) Có hai kiểu stato: kiểu cột riêng rẽ (hinh 1.4a) và kiểu vòng (hình 1.4b) Tất cả các tuabin tâm trục và phần lớn tuabin cánh quay đều sử dụng stato kiểu vòng để tăng độ cứng, còn kiểu cột riêng rẽ chỉ sử dụng cho buồng xoắn bê tông cốt thép và ở đó ổ trục chặn không lắp trên nắp tuabin Stato là kết cấu chịu lực và là chi tiết chuẩn của tuabin được lắp ráp đầu tiên, do đó nó phải có đủ độ cứng cũng như hình dạng hình học chính xác Số lượng các cột chống của stato bằng nửa số cánh hướng nước Z0

Hình 1.7: Các kiểu stato tuabin

1 Vành trên; 2 Cột; 3 Vành dưới

a.3 Bộ phận hướng nước hay bộ phận dẫn dòng

Sau khi qua stato nước chảy vào bộ phận hướng nước Bộ phận này có tác dụng sau đây:

− Thay đổi trị số và hướng tốc độ dòng chảy giữa cơ cấu hướng nước và BXCT Đồng thời tạo điều kiện tốt cho dòng nước chảy vào cánh tuabin

− Điều chỉnh công suất tuabin bằng cách điều chỉnh lưu lượng vào tuabin

− Ngăn toàn bộ dòng nước vào BXCT của tuabin

Bộ phận hướng dòng gồm có hai bộ phận chính: các cánh hướng nước với số cánh Z0 = 16 ÷ 32 cánh (được bố trí quanh chu vi BXCT) và cơ cấu quay hướng Mỗi cánh hướng có thân và trục cánh Đầu trên trục cánh được lồng vào các lỗ khoét ở nắp tuabin (hình 1.9) còn đầu dưới thì được lắp vào vành dưới, nhờ đó các cánh có thể quay quanh trục của nó để thay đổi độ mở a0 của bộ phận hướng nước Độ mở a0 được tính bằng khoảng cách nhỏ nhất giữa hai cánh kế tiếp nhau(mm) (hình 1.8)

Ở vị trí đóng hoàn toàn thì đầu mút của các cánh tiếp xúc nhau (a0 = 0) và nước không thể đi qua vào BXCT (hình 1.10) Còn ở vị trí mở hoàn toàn (a0 = a0max) thì các cánh có hướng kính, lúc đó lưu lượng chảy vào BXCT lớn nhất Khi các cánh có hướng ở vị trí đóng hoàn toàn, muốn giảm bớt rò rỉ, tại đầu trên c và dưới a mỗi cánh cũng như mép giữa các cánh phải có các đệm chống thấm làm bằng cao su (hình 1.9)

Hình 1.8: Cách biểu thị độ mở Hình 1.9: Đệm chống thấm của

bộ phận hướng nước cánh hướng nước

Nếu các đệm nói trên tốt thì khi sửa chữa máy có thể chỉ cần đóng bộ phận hướng nước (BPHN) mà không cần phải đóng van trước tuabin (bảo đảm cho việc mở máy lần sau nhanh chóng hơn)

Cơ cấu quay cánh hướng nước

Muốn quay được các cánh hướng nước, cơ cấu này phải có đủ lực để thắng được

áp lực nước P tác dụng lên các cánh hướng nước và lực ma sát trong các chi tiết của BPHN Đồng thời phải bảo đảm khả năng quay các cánh hướng nước theo các trị số độ

mở a0 bất kì trong phạm vi từ a0 ÷ a0max Hình (1.11) là sơ đồ cơ cấu hướng nước điều chỉnh bên trong được sử dụng trong các tuabin phản kích cỡ nhỏ Trong đó đặc điểm của sơ đồ này là chi tiết của cơ cấu quay bố trí bên trong tuabin và ngập trong nước

Hình 1.10: Cánh hướng nước Hình 1.11 Cơ cấu quay cánh hướng nước

ở vị trí đóng hoàn toàn

Bộ phận hướng dòng điều chỉnh trong gồm các chi tiết: nắp tuabin (1), vòng dưới (9), các cánh hướng nước (2), trục cánh hướng (10) và cơ cấu quay Đầu dưới mỗi cánh hướng có khớp (3) nối với thanh truyền (4), còn đầu kia của thanh truyền nối với vành điều chỉnh (8) Như vậy khi quay trục điều chỉnh (5) thì vòng điều chỉnh sẽ quay

và làm cho các cánh hướng quay quanh trục của nó với một góc nhất định Vành điều chỉnh liên hệ với trục điều chỉnh qua tay đòn (6) và thanh kéo (7) Nhược điểm của bộ phận hướng nước loại này là các chi tiết cơ cấu quay nằm trong nước nên chúng nhanh chóng bị han gỉ và tổn thất thủy lực lớn Bởi lẽ đó nên đối với các tuabin cỡ vừa và lớn người ta thường sử dụng cơ cấu hướng nước điều chỉnh bên ngoài tuabin (hình 1.12)

Bộ phận hướng nước kiểu này khác với kiểu nói trên ở chỗ các đầu trục của mỗi cánh hướng đều nhô ra phía trên nắp tuabin và các chi tiết của cơ cấu quay cánh hướng đều bố trí ở nơi không có nước Ở đây, vòng điều chỉnh (11) liên hệ với các cánh hướng qua khớp nối, khớp nối này có tay quay (9) (tay ép chặt với trục cánh hướng nhờ chốt hình bán nguyệt (26), tâm (6), chốt an toàn (12), thanh truyền (10), thanh này gồm chạc nối, vít tiện đầu ren trái và ren phải và chốt nối, trong đó chốt phía trái được nối với tâm (6), còn chốt phía phải nối với vòng điều chỉnh

Hình 1.12: Mặt cắt dọc tua bin tâm trục

Hình 1.13: Sơ đồ liên hệ giữa động cơ

tiếp lực với bộ phận hướng nước

Hình 1.14: Dạng ngoài của bánh xe

công tác của tuabin tâm trục a) BXCT tuabin tâm trục cột nước trung bình

b) BXCT tuabin tâm trục cột nước cao

Hình (1.12) biểu thị mặt cắt dọc của cơ cấu quay này Chốt an toàn (12) có tác dụng bảo vệ cho BPHN không bị hư hỏng, và một số cánh hướng không bị kẹt (do các vật nổi như gỗ v.v…) Vì chốt có ứng suất cắt nhỏ hơn ứng suất cắt của tất cả các chi

tiết của cơ cấu quay cánh hướng nên khi bị kẹt thì các chốt này (ở các cánh hướng bị kẹt) sẽ bảo đảm cho các cánh hướng khác vẫn có thể đóng bình thường

Vòng điều chỉnh của BPHN sở dĩ có thể quay được quanh trục tuabin là nhờ có một hoặc hai động cơ đặc biệt goi là động cơ tiếp lực (hoặc bộ tiếp lực) bằng dầu có áp (hình 1.13)

Động cơ tiếp lực là hệ thống thủy lực gồm xilanh và pittông, pittông có cần (3) nối với vòng điều chỉnh (2) Tuỳ thuộc dầu có áp lấy từ thiết bị dầu áp lực đi vào một ngăn nào đó trong xilanh (1) sẽ làm chuyển dịch pittông (4) và tạo nên mômen ngẫu lực quay vòng điều chỉnh Động cơ tiếp lực quay bộ phận hướng nước của tuabin thường

bố trí phía trong hầm (giếng) tuabin hoặc ở trên nắp tuabin

a.4 Bánh xe công tác

Sau khi qua khỏi bộ phận hướng nước, nước chảy vào BXCT (20) hình ( 1.12) ,BXCT của tuabin tâm trục gồm có 12 đến 24 cánh, dạng mặt cong không gian và được cố định (bằng hàn hay đúc) với vành trên (18) và vành dưới (19) Vành trên của BXCT được nối với mặt bích dưới của trục tuabin (21), còn phía dưới của vành này được nối với chóp thoát nước (22) Ngoài ở vành trên có lắp các tấm giảm áp (27) và các lỗ để giảm bớt áp lực nước dọc trục tác động lên BXCT Kích thước hình học của tuabin tâm trục được đặc trưng bằng đường kính tiêu chuẩn D1 của BXCT và được quy ước là đường kính lớn nhất tại vị trí mép

vào các cánh BXCT Hình dạng BXCT

phụ thuộc vào cột nước H, nói chung cột

nước H càng tăng thì số lượng cánh

BXCT tăng còn tỉ số đường kính

1

2

D D

cũng như độ cao tương đối cánh hướng

1

0

D

b

sẽ giảm (hình 1.14) Còn tuabin tâm

trục dùng cho cột nước thấp thì ngược lại

để tăng tiết diện ướt của tuabin

Để giảm bớt lượng nước rò rỉ qua các

khe hở giữa phần động và phần tĩnh của

tuabin cần bố trí thiết bị chống rò rỉ Đó

là các vòng chống rò được lắp ở bề mặt

ngoài của vành trên và vành dưới BXCT

(hình 1.15), ở vị trí tương ứng với phần cố định của nắp tuabin và vành dưới BPHN Các kiểu vòng chống rò rỉ (vòng bít) khác nhau được thể hiện ở hình (1.15), trong đó kiểu rãnh được dùng với H < 100m, kiểu cài răng lược dùng với H ≥ 100 ÷ 150m

Hình 1.15: Các kiểu vòng bít của tuabin

a) Kiểu khe hở; b) Khe hở có rãnh nhỏ; c,d) Kiểu răng lược; e) Răng lược có khe hở

BXCT của tuabin có thể được chế tạo thành BXCT hoàn chỉnh hoặc từng bộ phận (2÷3) phần, tùy thuộc vào điều kiện vận tải và công nghệ chế tạo Thông thường vận chuyển bằng đường sắt chỉ cho phép BXCT hoàn chỉnh có đường kính D1 < 4,75m

Nếu đường kính to hơn thì phải chọn các biện pháp vận chuyển thích hợp hơn như đường thủy…, hoặc gia công BXCT thành từng phần để chuyển theo đường sắt và tổ hợp thành bánh xe hoàn chỉnh (bằng hàn, bằng vành đai v.v…) ở công trường xây dựng Braskaia (Liên Xô cũ) sử dụng tuabin tâm trục có D1 = 5,5m, ở đó BXCT được ghép từ hai phần bằng phương pháp hàn nối

Tùy thuộc vào cách bố trí nhà máy và kết cấu nhà máy, trục tổ máy có thể gồm hai phần: trục tuabin và trục máy phát điện, hay 3 phần: trục tuabin, trục trung gian và trục máy phát điện.Trong một số kết cấu hiện nay thì tổ máy chỉ có một trục chung nối liền rôto máy phát điện với BXCT tuabin Ưu điểm của kiểu trục này là giảm bớt chiều cao tổ máy và nhà máy

Đường kính ngoài của trục tuabin

phụ thuộc vào công suất NT, số vòng

quay n của tuabin và có thể tính sơ bộ

Kích thước trục tuabin vừa và lớn

đều được tiêu chuẩn hoá với các trị số

Hình 1.16b: ổ trục hướng bôi trơn bằng dầu

1 Trục; 2 Nồi trục; 3 Vòng ép; 4 Vít điều chỉnh khe hở bạc trục;

5 Tấm ngoài bạc trục; 6 Tấm cách điện; 7 Nắp che; 8 Tấm cách điện;

9 Vòng che; 10 Ống dẫn dầu; 11 Ống xả dầu; 12 Lỗ lấy dầu

Chiều dài của trục thì tuỳ điều kiện bố trí cụ thể của từng TTĐ mà xác định

b Tuabin hướng trục

Tuabin hướng trục có hai loại: cánh quạt và cánh quay

Hướng chảy của nước trong phạm vi BXCT theo hướng trục quay của tuabin Ở nước ngoài còn gọi tuabin cánh quay là tuabin Kaplan Tuabin hướng trục được sử dụng cho cột nước thấp từ 3 ÷ 5m đến 35 ÷ 40m Gần đây có nơi sử dụng cho cột nước đến 60 ÷ 70m

b.1 Bánh xe công tác của tuabin cánh quạt

Gồm có 3 ÷ 10 cánh (tăng theo cột nước), được gắn chặt vào bầu BXCT, BXCT đặt trong buồng hình trụ, buồng có kích thước lớn hơn mép ngoài cánh BXCT khoảng một vài mm Đường kính buồng đó được coi là đường kính tiêu chuẩn BXCT D1 Loại này kết cấu thì đơn giản nhưng hiệu suất cao chỉ ứng với một chế độ làm việc Vì thế loại tuabin này không dùng cho TTĐ có công suất lớn vì không kinh tế (hình 1.17a)

Hình 1.17a: Hình ngoài của Hình 1.17b: Cắt dọc tuabin cánh quạt

Bánh xe công tác tuabin cánh quay điều chỉnh cánh

1 Bầu BXCT (thân BXCT); 2 Cánh BXCT;

3 Bu lông; 4 Chốt chịu lực cắt;

5 Chóp bầu BXCT hình lưu tuyến

b.2 Bánh xe công tác của tuabin cánh quay

Gồm có: bầu, cánh, chóp thoát nước và bộ

phận quay cánh BXCT Bầu BXCT có hai phần

(hình 1.20) phần cầu và phần trụ Tâm của phàn

cầu trùng với tâm của trục quay cánh BXCT Bầu

phải có hình cầu để giảm bớt khe hở giữa cánh

với bầu khi quay cánh Ở tuabin cánh quạt vì

cánh cố định nên không có phần cầu này Chóp

thoát nước (3) hình (1.18) có tác dụng làm cho

nước chảy khỏi BXCT thuận dòng hơn và giảm

được tác dụng mạch động

Hình 1.18: Sơ đồ cơ cấu quay cánh

BXCT tuabin cánh quay

Số cánh từ 3 ÷ 10 cánh (tăng theo cột nước)

được gắn vào bầu nhờ trục cánh Khác với tuabin

cánh quạt, các cánh của BXCt có thể quay được

quanh trục của nó nhờ cơ cấu quay nằm trong bầu

BX

ộ phận quay cánh BXCT, còn hình (1.19) là mặt cắt dọc BXCT của tuabin cánh quay

CT

Hình (1.18) là sơ đồ nguyên lí chuyển vận của b

Hình 1.19a: Mặt cắt dọc tuabin cánh quay có vành sao

1 Bầu; 2 Buồng BXCT; 3 Stato; 4 Bánh hướng; 5 Tay quay; 6 Bơm nước rò nắp tuabin; 7 Hầm tuabin; 8.,9 Động cơ tiếp lực; 10 Giá đỡ; 11 Trục; 12 ổ hướng; 13 Nắp tuabin; 14 Tittông; 15 Cánh BXCT; 16 Cổ buồng BXCT; 17 Cổ trục; 18 Vòng

bít cánh; 19 Chóp thoát nước

Bộ phận cánh quay gồm: trục cánh (6), động cơ tiếp lực (4), hệ thống thanh truyền (7) Ở đây tay quay (8) được nối với trục cánh (6), còn thanh truyền có chốt nối liền pittông (5) của động cơ tiếp lực làm 2 ngăn: trên và dưới Dầu có áp từ thiết bị dầu

áp lực qua hai ống dẫn dầu đồng tâm đặt lồng vào nhau nằm bên trong trục tổ máy (ở đây không vẽ) Khi dầu có áp vào một ngăn nào đó của xilanh còn ngăn kia thông với

lỗ dầu xả thì pittông lẫn thanh truyền (7) sẽ xê dịch lên trên hoặc xuống dưới do đó làm quay các cánh theo các góc quay như nhau

b.3 Buồng bánh xe công tác

Hình 1.19b: Mặt cắt dọc tuabin không có vành sao

1 Bầu; 2 Cánh BXCT; 3 Trục cánh; 4 Tay quay;

5 Thanh truyền; 6 Pittông; 7 Nắp xilanh

Hình 1.20: Buồng BXCT tuabin cánh quay

Khác với tuabin tâm trục, ở đây BXCT được bố trí thấp hơn BPHN và đặt bên trong buồng BXCT (hình 1.20) gồm có hai phần: phần trên của trục quay có dạng hình trụ, còn phần dưới có dạng hình nửa cầu Đường kính lớn nhất của buồng được xem là đường kính tiêu chuẩn của tuabin cánh quay D1 Phần nửa cầu có tác dụng giảm bớt khe hở giữa các cánh với bầu khi quay cánh, còn phần trụ cho phép nhấc BXCT ra ngoàI khi sửa chữa máy Chiều cao buồng nói chung bằng khoảng Hb và Hb = (0,5 ÷

0,53)D1 Buồng BXCT (tình từ vòng dưới của BPHN trở xuống) gồm một vài vòng bằng thép dạng vỏ mỏng (2) và nối với nhau bằng bulông Phía ngoài buồng có các móc để néo chặt buồng với bê ông Buồng BXCT bị rung động mạnh do tác dụng mạch động nên công việc lắp ráp cũng như gia công buồng phải làm chu đáo Tại giao điểm của phần nửa cầu với phần dưới của buồng có tiết diện nhỏ nhất, đường kính Dk

ở đó bằng khoảng (0,94 ÷ 0,98)D1 Đầu dưới của buồng BXCT nối với ống hút qua doạn ống chuyển tiếp (3) Khi lắp ráp BXCT, bánh xe được đặt trên vòng móng nằm dưới stato tuabin

1.3.2 Cấu tạo của tuabin gáo

Tuabin gáo còn dược

gọi là tuabin Pentơn (tên

một người Mỹ hoàn thiện

nó vào năm 1884) Nước

từ thượng lưu theo đường

ống áp lực qua cửa van,

đoạn ống chuyển tiếp rồi

vào vòi phun (1), BXCT

(2) và truyền năng lượng

dòng nước dưới dạng

động năng cho BXCT

Sau khi đi ra khỏi BXCT

nước được tháo xuống

kênh xả hạ lưu của TTĐ

(hình 1.24)

Hình 1.24: Tuabin gáo

1 Vòi phun; 2 Cánh BXCT; 3 Miệng phun

4 Van kim; 5 Vỏ máy

a Vòi phun

Hình 1.25: Bộ phận cắt dòng

Vòi phun gồm miệng phun (2) và van kim (3) để điều chỉnh lưu lượng, nằm giữa van tuabin và BXCT Khi kim áp sát với miệng vòi phun thì tiết diện ướt vòi phun bằng 0, dòng nước không thể chảy vào BXCT (ứng với độ mở a0 = 0) còn lúc kim rời khỏi miệng vòi phun xa nhất (hành trình kim S lớn nhất, S = Smax) thì tiết diện ướt vòi phun lớn nhất, lức đó lưu lượng dòng tia lớn nhất ứng với độ mở a0 = a0max Như vậy vòi phun và kim có tác dụng điều chỉnh lưu lượng tuabin thông qua việc điều chỉnh tiết diện dòng tia vào BXCT Vòi phun gồm có miệng phun (2) dạng ống co hẹp dần, van kim (3) trượt trong vòi đó Kim có trục nhô ra ngoài vòi phun, trục này chuyển động lui tới nhờ có động cơ tiếp lực của hệ thống điều chỉnh (nói rõ ở chương 6) hay điều khiển bằng tay (ở các tuabin cỡ nhỏ) Lưu lượng vào tuabin sẽ nhanh chóng giảm xuống tuy vẫn đóng van kim từ từ và sẽ giảm được áp lực nước va xảy ra trong đường ống khi cần điều chỉnh lưu lượng tức thời

Ứng với các tuabin gáo có máy điều tốc tự động thì sự chuyển động có phối hợp giữa van kim và bộ phận cắt dòng được thực hiện nhờ bộ liên hợp nằm trong máy điều tốc (xem chương 6)

b Bánh xe công tác

BXCT gồm có 14 ÷ 60 cánh gắn chặt lên đĩa và gắn lên trục tuabin Cánh BXCT có dạng gáo, giữa có sống nhỏ (dao) chia gáo thành hai phần bằng nhau và tách dòng nước thành hai phần khi chảy ra theo hướng mặt phẳng BXCT Để tránh cánh gáo trước ảnh hưởng đến dòng nước xung kích và cánh gáo sau

c Vỏ máy

Mặt ngoài của BXCT được bọc bởi một lớp vỏ máy, tác dụng của nó là để ngăn ngừa dòng nước trên BXCT bắn ra sàn nhà máy và để đỡ miệng vòi phun Trong vỏ máy là trạng thái áp lực không khí

1.4 Các bộ phận phụ của tuabin

Để đảm sự làm việc bình thường của tuabin, phải có các bộ phận phụ bố trí cạnh tổ máy, đó là: van phá chân không, van xả tải, van trước tuabin, thiết bị tháo nước

rò rỉ trên nắp tuabin, thiết bị dầu bôi trơn v.v…

1.4.1 Van phá chân không

Khi đóng nhanh cơ cấu hướng nước của tuabin phản kích thì trong buồng BXCT

áp suất bị giảm xuống Đối với những TTĐ có ống xả dài và đường ống áp lực tương đối ngắn thì hiện tượng giảm áp suất này càng lớn, nước từ ống xả chảy ngược vào BXCT với tốc độ khá lơn (sóng ngược) có thể gây nên sự va đập vào rôto tổ máy có thể làm hư hại tuabin và máy phát Có thể ngăn ngừa hiện tượng nói trên bằng cách đặt

ở trên nắp tuabin một hay hai van phá chân không, van này có lỗ thông với phía dưới BXCT tuabin Khi đóng nhanh cơ cấu hướng nước van này sẽ tự động mở và cho không khí vào buồng BXCT

Hình (1.27) là kết cấu van phá chân

không ứng với vị trí đóng van Vỏ van

(1) được gắn trên nắp tuabin, bên trong

vỏ có xilanh (2), và được giữ chặt ở vị

trí đóng nhờ lò xo (3) đầu dưới của

xilanh này được nối với cần (14) của

đĩa van (5), phía trong xi lanh có

pittông (6) và cần (7) xuyên qua nắp

van (8) Đầu trên cần (7) có lắp ròng

rọc (9) tỳ vào nêm (10) (nêm nối với

vòng điều chỉnh của BPHN) Pittông (6)

lẫn ròng rọc (9) bị nâng lên trên, nhờ lò

so (11) Ở đáy píttông có van tiết lưu

(12) và van 1 chiều (13), van1 chiều

này bị ép chặt vào đáy Pittông nhờ lò so

(4) Ngăn trên của xilanh luôn luôn

thông với khí trời qua van tiết lưu (16),

còn ngăn dưới của nó cũng vậy qua lỗ

(17) Không khí đi và BXCT qua cửa sổ

(18) Khi cắt tải đột ngột, bộ phận

hướng nước sẽ xê dịch nêm (10) sang

trái, làm cho ròng rọc, cần pittông và

pittông (6) bị ấn xuống dưới, lúc đó vì

dầu trong xilanh Hình 1.27: Van phá chân không

chưa kịp qua van tiết lưu để chảy lên ngăn trên nên dầu ở phía dưới xilanh bị nén lại nên đẩy cả xilanh (2) lẫn cần và đĩa van (5) xuống dưới nhờ đó không khí có thể từ nắp trên tuabin qua lưới chắn rác xuống phía dưới BXCT Sau đó do có một ít dầu chảy qua van tiết lưu đi lên ngăn trên của pittông, nên áp lực trong đó giảm xuống, lò xo (4) giãn ra và đẩy xilanh (2) và đĩa van (18) đóng lại

Cần chú ý là khi cần mở to BPHN thì van phá chân không vẫn nằm ở vị trí đóng (vị trí cho ở hình vẽ) và không khí không thể chui qua van này xuống phía dưới BXCT

Thật vậy, từ hình (1.27) ta thấy, khi BPHN chuyển động về phía mở thì nêm (10) dịch từ trái sang phải, nên ròng rọc (9) không chịu nén nữa và lò xo (8) sẽ giãn ra kéo cần (7) và pittông (5) lên trên

Lúc này nhờ van một chiều (13) (van này chỉ cho phép dầu chảy một chiều từ trên xuống dưới) nên dầu ở ngăn trên của xilanh (2) dễ dàng xuống ngăn dưới của nó bảo đảm cho xilanh (2) vẫn ở vị trí ban đầu

1.4.2 Van xả không tải (van xả bỏ)

Van xả bỏ được sử dụng ở các tuabin cột nước cao Hình (1.28) là sơ đồ van xả bỏ lắp phía dưới buồng xoắn kim loại Khi đóng nhanh BPHN do cắt phụ tải đột ngột, thì

ngoài hiện tượng giảm áp như đã nói ở trên xảy ra ở phía sau BPHN, còn có hiện tượng nước va ở trong hệ thống dẫn nước của tuabin Trị số lưu lượng trong tuabin càng thay đổi đột ngột (

dt

dQ

lớn) thì áp lực nước va càng lớn.Van xả bỏ có tác dụng giảm áp lực nước va kể trên Khi tuabin đang làm việc bình thường thì van xả bỏ đóng Trong trường hợp hệ thống điện có sự cố,

máy phát điện bị tách khỏi lưới điện, lúc đó

BPHN đóng và van xả bỏ mở để xả bớt một

phần lưu lượng qua van này xuống hạ lưu

TTĐ Như vậy có thể giảm bớt áp lực nước

va trong đường ống áp lực của TTĐ bằng

cách giữ cho lưu lượng trong đường ống

thay đổi chậm hơn so với độ mở của BPHN

Khi BPHN đóng lại, van xả bỏ sẽ từ từ trở

về vị trí ban đầu, và sau thời gian nhất định,

van này sẽ đóng oàn toàn Từ hình (1.28) ta

nhận thấy nhờ van xả bỏ mà sự thay đổi lưu

lượng trong đường ống theo thời gian

(đường 1) sẽ chậm hơn nhiều so với trường

hợp không có van xả bỏ (đường 2)

Hình 1.28: Sự thay đổi lưu

lượng tuabin khi có van xả bỏ

Sơ đồ nguyên lý chuyển vận của van xả bỏ, xem hình (1.28) Ngoài hai loại van xả

bỏ và van phá chân không còn có van bổ sung không khí lắp ở phía trên trục máy phát hay dưới trục tuabin, van này có tác dụng bảo đảm cho tuabin làm việc ổn định khi làm việc với cột nước thấp

1.4.3 Van tuabin

Van tuabin được bố trí giữa đường ống áp lực và tuabin, ở các TTĐ sử dụng ống rẽ nhánh hoặc TTĐ cột nước cao H > 200 ÷ 300m Đối với các tuabin cỡ lớn thường dùng ba loại van: đĩa, cầu và van kim dùng ở các TTĐ có cột nước rất cao

Van đĩa (hình 1.29)

hoặc van bướm có cấu tạo

đơn giản gồm vỏ (1) và đĩa

van (2) quay quanh trục

của nó nhờ động cơ tiếp

lực dầu cao áp Trước khi

mở van ta phải mở van

cạnh (3) để cân bằng áp

lực nước hai bên đĩa van

Van đĩa sử dụng ở các

TTĐ có cột nước H , 150m với đường kính ống áp lực bằng 7 ÷ 8m

Hình 1.29: Sơ đồ các kiểu van tuabin

Khi cột nước H > 150m thì phải sử dụng van cầu

Van cầu hình (1.29b) gồm có vỏ (1) và rôto hình cầu (2), đường kính trong của rôto bằng đường kính của đường ống áp lực Rôto có thể quay được góc 900 nhờ động cơ tiếp lực dầu cao áp Van cầu có cấu tạo phức tạp hơn van đĩa Người ta đã snả xuất van cầu có đường kính đạt tới 3m và dùng cột nước cao Van cầu và van đĩa chỉ làm việc bình thường ở độ mở hoàn toàn, còn các độ mở khác thì trạng thái thủy lực sẽ kém đi Van kim (hình 1.29c) gồm có vỏ (1), chóp thoát nước (2) (nối với vỏ nhờ các trụ)

và pittông kiểu hình trụ (3) Pittông này xê dịch được nhờ áp lực nước ở trong buồng A

và B Van kim có đặc tính thủy lực tốt, kín, dễ thao tác và có thể làm việc ở độ mở bộ phận, tuy nhiên khuyết điểm của nó là có cấu tạo phức tạp, kích thước lớn và giá thành cao

1.5 Câu hỏi chương 1

1 Hãy kể tên các loại tuabin nước và nêu phạm vi ứng dụng của các loại tuabin

đó Tuabin cánh quay thuộc tuabin phản kích hay tuabin xung kích?

2 Trình bày cấu tạo các bộ phận chính của tuốc bin gáo Chỉ rõ thông số cơ bản đường kính chuẩn D1 của tuốc bin gáo

3 Trình bày cấu tạo các bộ phận chính của tuốc tâm trục, tuabin hướng trục

4 Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của cơ cấu hướng dòng trong tuabin phản kích

CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA TUABIN

2.1 Khái niệm về chuyển động tương đối và tuyệt đối, hình tam giác tốc độ.

Cấu trúc dòng chảy trong tuabin rất phức tạp Ở đó, các phần tử chất lỏng một mặt men theo bề mặt cánh dạng cong không gian, mặt khác chảy vòng quanh trục quay tuabin Vì vậy, chuyển động của chất lỏng không phải chuyển động phẳng mà là chuyển động không gian ba chiều Sự thay đổi vận tốc (cả hướng lẫn trị số) dòng chảy

sẽ làm thay đổi các yếu tố thủy động lực học của tuabin như lưu lượng Q, số vòng quay n, hiệu suất η v.v Bởi thế, muốn hiểu được quá trình làm việc của tuabin trước hết cần phân biệt các khái niệm về chuyển động tương đối và tuyệt đối của chất lỏng trong bánh xe công tác của tuabin

Hình 2.1: Dòng chảy trong bánh xe công tác cua tuabin phản kích

Xét chuyển động của dòng nước chảy qua khe cánh BXCT Nếu lấy mặt đất làm chuẩn nước từ cơ cấu hướng nước chảy vào cửa vào cánh BXCT (điểm 1 trên hình 2.1) với tốc độ tuyệt đối v1, nước chảy men theo cánh với tốc độ tương đối w1 và đồng thời quay cùng với cánh với tốc độ vòng u1 Theo cơ học lý thuyết thì tốc độ tuyệt đối v1 bằng tổng véc tơ của tốc độ tương đối và tốc độ vòng:

1 1

V = r +r

Có nghĩa 3 véc tơ V1, , hợp thành một tam giác tốc độ Cũng tương tự ở điểm

2 (cửa ra của cánh BXCT) ba véc tơ

1

wr ur1

2

V , wr2, ur2 cũng hợp thành một tam giác tốc độ cửa ra (hình 2.1) Góc kẹp giữa tốc độ tuyệt đối và tốc độ vòng ký hiệu là α, Góc kẹp giữa tốc độ tương đối và tốc độ vòng ký hiệu là β

Và như vậy các góc tạo thành hình tam giác vận tốc nói trên gồm có góc α1 (là góc tạo thành bởi vận tốc tuyệt đối và vận tốc vòng vr1 ur1) và góc β1 (góc tạo thành bởi tốc

độ tương đối và tốc độ vòng ) Nếu ở cửa vào của BXCT hình thành tam giác vận tốc gồm có các góc α1 và β 1, thì ra của BXCT thì hình tam giác vận tốc gồm có các

1

góc α2 và β2, còn ý nghĩa của các góc này đã được giới thiệu trên Góc β1 và β2 phụ thuộc vào cấu tạo và hình dạng cánh

Nếu giả thiết bánh xe công tác gồm vô số các cánh cực mỏng hợp thành thì khe cánh (tạo bởi khoảng trống giữa hai cánh kế tiếp nhau) sẽ rất hẹp, lúc đó quỹ đạo chuyển động tương đối của chất lỏng trùng với trung tuyến AB của cánh (hoặc đường dòng 1-2)

Theo thủy lực học, nếu dòng chảy trong tuabin là dòng ổn định thì đường dòng sẽ trùng với quỹ đạo chuyển động của chất lỏng Giả thiết này cho phép ta tìm được vị trí

và hình dạng các đường dòng trong tuabin

Đồng thời trị số các vận tốc kể trên (v, u, w) của phần tử chất lỏng trong phạm vi BXCT đều được tính theo vận tốc bình quân trong tiết diện dòng chảy đang xét (hướng dòng chảy thẳng góc với tiết diện đó)

Từ các giả thiết trên ta nhận thấy, đường cong 1-2 là quỹ đạo chuyển động tương đối của chất lỏng xuất phát từ điểm 1 đến điểm 2; đó cũng là trung tuyến AB của cánh;

AB là quỹ đạo chuyển động tuyệt đối của chất lỏng chảy từ điểm A đến điểm B; véctơ tuyệt đối V1, V2 tiếp xúc với quỹ đạo chuyển động tuyệt đối AB’ tại điểm đầu và điểm cuối của quỹ đạo này, còn vận tốc tương đối wr1 và wr2 thì tiếp xúc với quỹ đạo chuyển động tương đối 1-2 tại điểm 1 và 2

Sau đây là quá trình suy diễn phương trình nguyên lí cơ bản của tuabin hoặc phương trình cơ bản của tuabin

2.2 Phương trình cơ bản của tuabin

Phương trình cơ bản của tuabin xác lập mối liên hệ giữa mômen lực tác dụng của nước vào bánh xe công tác với các thành phần vận tốc cửa vào và cửa ra của nó

Trước khi đi vào cánh bánh xe công tác, nước chảy qua các rãnh giữa các cánh hướng nước Các cánh này được sắp xếp với các khoảng cách như nhau vòng quanh bánh xe công tác và làm với mặt kinh tuyến (mặt phẳng đi qua trục quay) các góc α0 bằng nhau (hình 2.2) Góc α0 tỉ lệ thuận với độ mở a0 của cánh hướng nước, như vậy, dòng nước ở trước trong và sau BXCT là dòng chảy chuyển động xoay quanh trục tuabin (dòng chảy xoáy) và đối xứng với trục đó

Hình 2.2: Sơ đồ suy diễn phương

trình cơ bản của tuabin

Hình 2.3: Sự biến đổi của mômen

động lượng

Khi dòng nước chảy qua các rãnh giữa các cánh BXCT, cánh BXCT bắt dòng nước phải thay đổi hướng và độ lớn tức là cánh tuabin đã gây một lực tác dụng lên dòng nước, ngược lại dòng nước có một lực phản tác dụng lên cánh tuabin làm BXCT phải quay ngược chiều dòng nước chỗ cửa ra Đó là quá trình công tác của tuabin phản kích và nhà bác học Nga - Ơle vào giữa thế kỉ 18 đưa vào định luật biến thiên mômen động lượng

Biến thiên mômen động lượng trong một đơn vị thời gian trên lưu tuyến 1-2 bằng mômen phản lực tác dụng lên cánh

L - mômen động lượng của nước

Xét dòng chảy giữa hai cánh tuabin Tốc độ tuyệt đối bình quân của dòng nước

ở cửa nước vào của tuabin là v1, ở cửa ra là v2 Trong thời gian Δt khối lượng nước chảy qua cửa vào giữa hai cánh tuabin là q t

động lượng tại cửa vào là γq1ΔtV1 α1R1

g cos (hình 2.3)và tương tự tại cửa ra mômen động

v g

Q - Lưu lượng chảy qua BXCT (m3/s)

Theo nguyên lí lực và phản lực tác dụng ta có mômen của dòng nước Mn tác dụng lên BXCT sẽ là Mn = -M

( 1 1cosα1 2 2cosα2)

γ

R v R

v g

Q M

v H

tl 1 1 1 2 2 2

coscosα α

Trong đó:

ηtl – hiệu suất thủy lực của tuabin

H - cột nước công tác của tuabin

u - tốc độ vòng, u = Rω

Phương trình cơ bản của tuabin cho thấy quan hệ giữa các chỉ tiêu năng lượng của tuabin và điều kiện chuyển động của dòng nước trong BXCT Đối với một điều kiện nhất định (Q, H, η, n nhất định) nhờ phương trình này có thể thiết kế được hình dạng cánh BXCT

2.3 Dòng chảy trong tuabin xung kích

2.3.1 Tam giác tốc độ cửa vào và cửa ra BXCT

Qua phân tích về cấu tạo của tuabin xung kích trong chương 1 ta thấy, các phần nước qua và quá trình làm việc của tuabin gáo khác hẳn với các phần nước qua và quá trình làm việc của tuabin phản kích Bộ phận hướng nước của tuabin gáo là vòi phun

và kim Nước từ vòi phun chảy vào BXCT theo các tia tròn Sau khi qua khỏi miệng vòi phun, toàn bộ năng lượng dòng nước (cột nước H) trừ đi tổn thất vòi phun đều biến thành động năng với vận tốc v0 = ϕ 2gH Khi đi đến gáo, tia nước bị tách ra hai phần bằng nhau nhờ dao phân chia của gáo Tiếp đó cả hai phần tia chảy vào hai nửa gáo dạng cong elip Dòng nước rời khỏi gáo với vận tốc tuyệt đối v2 rất nhỏ, còn vận tốc tương đối w2 thì gần như ngược chiều với w1 (β2 = 1800)

Nếu bỏ qua tổn thất ma sát giữa nước với gáo thì w1 = w2 Dòng tia đã trao gần như toàn bộ động năng của nó cho bánh xe công tác Dao phân chia của gáo rất sắc nên góc β1 nhỏ, β1 coi bằng 0 và khi đó hình tam giác vận tốc ở mép vào đã kéo dài thành đường thẳng

W1 = v1 – u1 = v0 – u

ở đó: u - vận tốc chuyển động của gáo theo chiều trục x (hình 2.4) Hình 2.4 biểu thị hình tam giác vận tốc ở mép vào và mép ra của gáo, ở đây v0 = v1; w0 = w1

Hình 2.4: Sơ đồ dòng chảy và tam giác vận tốc của tuabin gáo

2.3.2 Phương trình cơ bản của tuabin gáo

Phương trình Ơle được áp dụng tính toán trong tuabin phản kích đồng thời cũng có thể áp dụng trong tuabin xung kích gáo

Căn cứ vào tam giác tốc độ cửa vào và cửa ra của tuabin gáo (hình 2.4) cho cự ly

từ vị trí của dòng chảy trên cửa vào và cửa ra của gáo đến trục chính là bằng nhau thì u1 = u2 = u

2.4 Sự tổn thất năng lượng và hiệu suất của tuabin

Tổn thất trong tuabin gồm có tổn thất thủy lực, tổn thất dung tích và tổn thất cơ khí Sau đây ta xét các dạng tổn thất chính

2.4.1 Tổn thất dung tích (ΔQ)

Dòng chảy qua tuabin có một phần lưu lượng rò rỉ qua khe hở giữa phần động và phần tĩnh (stato) Phần lưu lượng này không tham gia vào việc biến đổi năng lượng Lưu lượng qua khe hở có thể xác định theo công thức

μ - hệ số lưu lượng

1 Q

QQq

Δ

−

=Δ

Tổn thất thủy lực thể hiện ở sự giảm cột nước làm việc H của tuabin Nếu H là cột nước làm việc của tuabin thì cột nước thực tế của tuabin là H - ΔH, vậy ηtl bằng:

H

H1H

HHtl

Δ

−

=Δ

−

=ηNhư vậy ΔNtl bằng: ΔNtl =9,81(1−ηtl)ηqQH

2.4.3 Tổn thất cơ khí

Tổn thất cơ khí là tổn thất năng lượng do ma sát cơ khí ở các ổ trượt, ổ đỡ, trong các đệm chống thấm giữa bộ phận chuyển động và bộ phận không chuyển động của tuabin Đồng thời ma sát giữa các bộ phận quay với nước ở phần dẫn dòng (gọi là ma sát đĩa)

Ta có: Công suất hữu ích của tuabinN, N=9,81ηqηtlηcgQH, trong đó

ηcg- là hiệu suất cơ giới

Hiệu suất toàn phần η của tuabin bằng

cg tl q

NN

N

ηηη

=

=

=

η

2.5 Điều kiện hiệu suất cao của tuabin

A- Điều kiện hiệu suất cao của tuabin phản kích

Hiệu suất thủy lực của tuabin (phương trình 2.3) là cao nhất nếu dòng chảy thảo mãn hai điều kiện sau đây:

1- Điầu kiện chảy vào không bị va

2- Điều kiện chảy ra khỏi BXCT theo hướng pháp tuyến

2.4.1 Chảy vào không va

Ta kí hiệu:

O- Điểm nằm ngay trước cửa vào BXCT

1- Điểm ở cửa vào BXCT

2- Điểm ở cửa ra BXCT (hình 2.1)

Dòng nước chảy vào bánh xe công tác được gọi là không bị va nếu vận tốc tuyệt đối v1 luôn bằng vận tốc tuyệt đối v0 ở cửa ra cánh hướng nước, còn phương của vận tốc tương đối trùng với tiếp tuyến của phần tử cánh ở mép vào của nó, có nghĩa là: wr1

0

vr =r ; wr =1 wr0 và α0 =α1Thoả mãn điều kiện đó dòng nước sẽ bao lượn mép vào cánh BXCT Ngược lại thì dòng nước sẽ tách khỏi mép vào cánh và hình thành vùng xoáy ngược ở đó Nếu gọi

là góc tạo bởi và tiếp tuyến cánh tại mép vào 1, thì có thể xảy ra 3 trường hợp như sau:

β vùng xoáy xảy ra ở phía lồi của cánh;

- Nếu β1>β1' thì vùng xoáy xảy ra ở phía lõm của cánh;

- Nếu β1 =β1' thì không có vùng xoáy

Hình 2.5: Sự xuất hiện vùng xoáy ở cửa vào BXCT

Rõ ràng, sự xuất hiện của vùng xoáy tách dòng này sẽ tăng thêm tổn thất cục bộ ở cửa vào cánh (tổn thất do va đập thủy lực) Tổn thất này sẽ làm giảm hiệu suất của tuabin nên phải tìm cách loại trừ nó Tuy vậy không thể bảo đảm điều kiện chảy vào không va trong mọi chế độ làm việc của tuabin

Đối với tuabin cánh quạt và tuabin tâm trục có cánh cố định ( không đổi), khi lưu lượng Q và cột nước H thay đổi thì hướng của tam giác tốc độ cửa vào thay đổi dẫn tới

Do đó đối với các loại tuabin này chỉ khi làm việc với Q và n phù hợp với thiết kế thì

' 1β

' 1β

' 1

1

1β

2.4.2 Chảy ra thẳng góc (hình 2.6)

Từ phương trình (2.3) chúng ta thấy: Khi Q, H = const, nếu cosα2 = 0, α2 = 900, v2 chảy theo hướng pháp tuyến (v2 vuông góc u2) thì dòng chảy đi thẳng xuống không sinh ra dòng chảy xoáy ở ống hút do đó làm tăng hiệu suất của tuabin

Đối với tuabin tâm trục, góc không đổi nên chỉ ở trạng thái làm việc bình thường của tuabin mới đảm bảo góc α2 = 900 Vậy khi lưu lượng hay số vòng quay của tuabin thay đổi (chẳng hạn n thay đổi thì u2 cũng thay đổi) do đó mà góc α2 ≠ 900 Hình tam giác biểu thị vận tốc cửa ra cánh BXCT, trên hình (2.6a), từ hình vẽ ta nhận thấy, khi lưu lượng bằng lưu lượng tính toán Q thì vận tốc v2 vuông góc u2, còn khi Q tăng hoặc giảm thì v2 sẽ không thẳng góc với u2 nữa, có nghĩa là v2u2cosα2 ≠ 0, nước chảy ra khỏi bánh xe công tác có xoáy và hiệu suất thấp

' 2β

Đối với tuabin cánh quay khi lưu lượng nước chảy qua tuabin thay đổi thì do cánh bánh xe công tác quay được cùng với độ mở a0 của BPHN nên cánh có thể nằm ở các

vị trí khác nhau (có vị trí 1, 2 ,3 của hình 2.6b) Kết quả là vận tốc v2 trong cả ba trường hợp nói trên đều có thể vuông góc với u2 (v21, v22, v23 đều vuông góc u2) Như vậy trong cả ba trường hợp ở cửa vào và ở cửa ra của BXCT của tuabin cánh quay đều bảo đảm dòng chảy lợi nhất Điều này cũng chứng tỏ tính ưu việt của tuabin cánh quay

so với hai loại tuabin đầu

Tuy vậy thực nghiệm cho biết, nếu cho rằng muốn tăng hiệu suất thì cần bảo đảm góc α2 = 900 là không hoàn toàn đúng đắn Người ta làm thí nghịêm và xác định rằng

dòng chảy ở cửa ra của bánh xe công tác nên bảo đảm có một lượng chảy vòng sao cho v2u2cosα2 = 0,2gH thì chẳng những có thể làm tăng hiệu suất thủy lực của tuabin mà còn có thể cải thiện được trạng thái dòng chảy ở cửa vào của ống hút Khi đó, do có dòng chảy xoay quanh trục vừa phải nên lực li tâm sinh ra do sự chảy xoay này sẽ làm cho các phần tử chất lỏng ở cửa vào ống hút bám sát vào thành ống nên khắc phục được hiện tượng tách dòng trong ống hút mở rộng, đồng thời cũng giảm được vận tốc tương đối của dòng nước chảy men theo cánh BXCT do đó mà giảm tổn thất thủy lực trong BXCT

Hình 2.6: Tam giác vận tốc ở cửa ra của BXCT

Cũng vì lí do trên mà hiện nay khi thiết kế hệ thống cánh BXCT người ta không những không loại bỏ điều kiện chảy ra không thẳng góc mà ngược lại, khi tính toán đã

cố ý thoả mãn điều kiện này Nói cách khác hầu hết các tuabin hiện nay đều được thiết

kế với góc α2 vào khoảng 800

Bây giờ ta hãy xét với điều kiện chảy ra thẳng góc;

Từ hình tam giác vận tốc cửa ra BXCT ta có:

2 2 2

0 2

2 2 2

m v v

v = + Ở cửa ra dòng chảy theo chiều trục cho nên:

2 2

ở đây: F2- diện tích tiết diện ngang ở mép ra của BXCT

1 2

B- Điều kiện hiệu suất cao của tuabin xung kích

Từ phưng trình ηtlgH = u(vo – u)(1 - cosβ2)

du

dηtl ↔ = 1 (1 − cos 2)(v0 − 2u)= 0

gH du

vậy muốn ηtl = ηtlmax thì cần phải thoả mãn hai điều kiện sau đây

• 1-cosβ2 = 0 hay β2 = 1800 như vậy độ cong của cánh gáo là 1800, wr2 ngược chiều với ur2, dòng nước ở cửa ra sẽ va vào lưng của cánh gáo phía sau không thể tháo nước đi thuận dòng Thực tế β2 vào khoảng 1760 ÷ 1770

• v0 – 2u = 0, u = 0

2

1

v (2.9) Nếu β2 là góc cố định ηtl = ηtlmax khi u = 0

122cos

1

0 2 0

0 0 2

v gH

v v v

cos14

1 − β ϕ gH = − β ϕ

Trong quá trình chứng minh ta giả thiết bỏ qua tổn thất thủy lực trong gáo và β1 = 0, thực ra w1 ≠ w2 và do đó thường u = (0,44 ÷ 0,48)v0 và hiệu suất thủy lực lớn nhất cũng chỉ bằng tlmax 0,88 ÷ 0,90 hơi thấp hơn hiệu suất của tuabin phản kích

0 0

β

2.6 Sự điều chỉnh lưu lượng

Trong các tuabin tâm trục và cánh quạt, lưu lượng được điều chỉnh bằng các cánh hướng nước, còn trong tuabin cánh quay thì được điều chỉnh bằng sự quay đồng thời của cánh hướng nước và cánh bánh xe công tác

Ta hãy xác định sự liên hệ giữa lưu lượng nước chảy qua tuabin với các thông số của bộ phận hướng nước và bánh xe công tác

Từ hình 2.7 ta nhận thấy, lưu lượng Q bằng:

0

0 0 0 0 0 0 0 0

cosα

Z b a v Z b a v

Q= = u

0 0

0 0 0 0 0

cosα

r

Z b a r v

Q = u (2.12)

Ở đây: v0- vận tốc cửa ra cánh hướng; Z0- số cánh hướng; α0- góc tạo bởi v0 và u

Do khoảng cách giữa mép ra cánh hướng và mép vào cánh BXCT rất nhỏ nên ;

' 1

0 0 0 1 0

cosα

r

Z b a r v

2 1 2 2 0

1 0 0 0

0 0

2 2

180cot

ωη

−+

+

=

g r K b Z a r

r u gH Q

tl

(2.13)

Từ phương trình trên ta thấy, lưu lượng

nước chảy qua tuabin quyết định bởi trạng

thái dòng chảy ở mép ra của bộ phận hướng

nước (b0, a0, α0) và bánh xe công tác (góc β2)

và phụ thuộc vào vận tốc góc quay (ω) của

BXCT Buồng xoắn và ống hút chỉ làm thay

đổi hiệu suất mà không có ảnh hưởng mấy

đến khả năng thoát nước của tuabin

Hình 2.7: Dòng chảy trong cánh

hướng nước

Từ phương trình (2.12) ta thấy, khi số vòng quay của BXCT và chiều cao b0 của BPHN không đổi, lưu lượng qua tuabin Q có thể thay đổi bằng các biện pháp sau: 1- Chỉ quay cánh hướng nước, tức chỉ thay đổi a0 và α0 còn góc β2 không đổi (điều chỉnh tuabin tâm trục và cánh quạt)

2- Chỉ quay cánh BXCT tức thay đổi góc β2 còn a0 và α0 không đổi (điều chỉnh tuabin cánh quay với các cánh hướng không quay quanh trục của chúng)

3- Cùng quay cả cánh hướng lẫn cánh BXCT, tức thay đổi α0, a0 và β2 (điều chỉnh tuabin cánh quay)

Trong các tuabin cỡ nhỏ, lưu lượng thường điều chỉnh theo cách sau đây:

a) Thay đổi chiều cao BPHN b0 bằng cách xê dịch nắp tuabin hoặc van hình trụ đặc biệt (thùng chụp) Ở cách này muốn giữ cho góc α0 không đổi thường phải bố trí ở phía trước BXCT các cánh hướng nước không quay được Khi không có cánh hướng nếu lúc đầu ta giảm b0 thì lưu lượng giảm chậm và chỉ khi b0 khá nhỏ, lưu lượng mới giảm rõ rệt do tác dụng tiết lưu tạo nên

b) Dùng một cánh hướng (van lưỡi gà) đặt ở trong buồng xoắn hoặc quay “răng” buồng xoắn Ở dây thực chất chỉ thay đổi góc α0

Sự điều chỉnh trong các tuabin có cánh hướng nước quay được khác với sự điều chỉnh lưu lượng bằng van tiết lưu về nguyên tắc Ở trường hợp sau, lưu lượng thay đổi nhờ sự hình thành tổn thất thủy lực trong các thiết bị tiết lưu (thùng chụp, van phẳng v.v ), còn điều chỉnh lưu lượng bằng cách quay cánh hướng thì tổn thất thủy lực trong

đó rất nhỏ và không ảnh hưởng rõ rệt đến lưu lượng nước chảy qua tuabin nhất là trong vùng độ mở bình thường của nó Quay cánh hướng làm thay đổi trạng thái dòng chảy ở trước cửa vào BXCT do đó mà làm thay đổi lưu lượng

Nếu các cánh hướng quay ở vị trí hướng kính thì tiết diện ra của chúng lớn nhất Khi

đó, nếu tiếp tục quay cánh hướng về phía mở thì từ phương trình (2.8) ta thấy lưu lượng Q còn có thể tăng lên (lúc này cosα0 có tị số âm) cho dù lúc đó tiết diện ra của BPHN giảm

Ta xem xét khi điều chỉnh lưu lượng Q phụ thuộc vào số vòng quay (hoặc vận tốc góc ω) như thế nào nếu độ mở a0 không đổi Muốn vậy ta lấy đạo hàm của Q theo ω và xét dấu của đạo hàm

η

d gH r

gH d

η

d gH gH u

d

dQ

A − tl

=

Như vậy, trong trường hợp a0 không đổi thì:

a) Khi u2 = ηtl gH , lưu lượng không phụ thuộc vào số vòng quay;

b) Khi u2 > ηtl gH , lưu lượng Q tăng khi tăng n

c) Khi u2 < ηtl gH , lưu lượng Q giảm khi tăng n

Trường hợp đầu đặc trưng cho các tuabin tâm trục tỉ tốc trung bình; trường hợp giữa đặc trưng cho các tuabin tâm trục tỉ tốc lớn, còn trường hợp sau – tỉ tốc bé

2.7 Câu hỏi chương 2

1 Khái niệm về chuyển động tương đối, tuyệt đối, tam giác tốc độ của dòng chảy trong bánh xe công tác của tuabin?

2 Thành lập phương trình cơ bản của tuabin phản kích, nêu ý nghĩa của phương trình?

3 Thành lập phương trình cơ bản của tuabin xung kích, nêu ý nghĩa của phương trình?