Máy thủy lực tua bin nước và máy bơm hoàng đình dũng, hoàng văn tần và những người khác

Đ ộ chênh mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu gọi là cột nước tình của trạm thuỷ điện TTĐ, ký hiệu H r C ột nước làm việc của tuahin H là hiệu năng lượng đơn vị của dòng nước đi qua tuabi

3 0 00 00 38 68

G ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

H DŨNG - HOÀNG VĂN TẦN

I - NGUYỄN THƯỢNG BANG

Tua bin nước

và máy bơm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

HOÀNG ĐÌNH DŨNG - HOÀNG VĂN TẦN

VŨ HỮU HẢI - NGUYỄN THƯỢNG BANG

Náy thnỷlực TUA BIN NƯỚC VÀ MÁY BƠM

NHÀ XUẤT BẢN XÂY DỰNG

LỜI NÓI ĐẦU

Máy thuỷ lực là môn học quan trọng đối với sinh viên ngành thuỷ lợi Ví) năng

lượng, nhằm trưng hi những kiến thức cần thiết vê thiết hi d ế sử dụng trong thiết k ế

vù vụn hành nhủ máy thirị diện,trạm bơm Ví) trong thi công công trình tlìiíỷ (hạ mực nước ngầm, hút nước h ố móng ).

Về nội dưng giáo trình hao gồm hai phần: tuưhin nước và máy bơm, trình bày nguyên lý lủm việc, kết d íu thiết bị, đặc tính thiết bị, cách lựa chọn sử dụng, lắj) đặt, vận hành thiết bị Đê thuận tiện cho sinh viên, trong giáo trình có các ví dụ tính toán, có các câu hỏi Ví) bài tập ở cuối mỗi chương.

Giáo trình dược biên soạn trên co' sở tài liệu giảng dạy nhiêu nủm ở trường Đại học Xây dựng Hà nôi Những người tham gia biên soạn giáo trình gồm : TS H oàng Văn Tần (chương 3 phần tuabin), TS Vũ Hữu Hải (chương 2 phần máy bom và phụ lục máy bơm), Thạc s ĩ Nguyễn Thượng Bằng (chương 3 phần máy bơm), PGS, TS Hoìmg ĐỉnÌ! Dũng (chủ biên, viết các chương còn lụi Ví ) phụ lục tuabin) GS, TSKH Trịnh Trọng Hàn d ã đọc kỹ toàn bộ bản thào và dóng góp nhiều V kiến quan trọng.

Nhóm tác giả chân thành cảm ơn sự giúp dỡ Ví ) góp ý của TS Huỳnh Bí) K ỹ Thuật (Trưởng hộ môn XDCTTL), GS, TSKH Trịnh Trọng Hùn, K ỹ sư cao cấp Trcí/I Xuân Tuý (Công ty Tư vấn Xúy dựng Điện ì ) và các dồng nghiệp.

Tin liệu này nhằm phục vụ cho việc học tập cùa sinh viên, song cũng có th ể dùng làm tài liệu tham khảo cho cán bộ kỹ thuật trong ngành thuỷ lợi, thuỷ diện Đây lừ lần xuất bản đàu tiên giáo trình ‘M á y thuỷ 'íực"nên không thê tránh khỏi sai sót, mong nhận được sự góp ỷ chân thành của các bạn dọc đê’lần tái bàn được tốt hơn.

Các tác giả

Máy thuỷ lực là danh từ chung chí các thiết bị dùng đê chuyển hoá năng lượng chất lỏng

thành cơ năng cơ cấu làm việc cúa máy (bánh xe công tác, pittông ) hay ngược lại

Tuabiìì nước là một loại máy thuỷ lực, biến năng lượng của chất lỏng (ở đây là nước)

thành cơ năng trên trục quay của tuabin để quay máy phát điện hay các máy công cụ khác

Máy bơm cũng là một loại máy thuỷ lực, nó chuyển hoá cơ năng trên trục quay thành cơ

năng của chất lỏng (ở dạng thế năng, động năng ) dể di chuyển chất lỏng từ chỗ thấp lên chỗ cao hay từ nơi này đến nơi khác

Nguyên tắc làm việc của tuabin nước và máy bơm hoàn toàn trái ngược nhau (hình 1-1) Tuabin nước được lắp đặt tại nhà máy thủy điện để chuyển hoá năng lượng nước thành cơ năng và cơ năng được chuyển hoá thành điện năng nhờ máy phát điện, khi nước từ thượng lưu chảy theo đường dẫn tới tuabin, rồi chảy ra hạ lưu Máy bơm được lắp đặt ở trạm bơm

Ở trạm bơm điện, động cơ điện lấy điện từ lưới điện để quay máy bơm đưa nước từ bể hút qua máy bơm đi lên ống đẩy

H ệ th ố n g điện

Hình 1-1: Sơ đồ lìiỊỉivèn lý ( lia tiiabin nước và máy bơm

Máy thủy lực thuận m>hịclì cũng là một loại máy thuỷ lực vừa làm nhiệm vụ của tuabin nước vừa làm nhiệm vụ của máy bơm nước Máy thủy lực thuận nghịch được lắp đặt ở nhà

máy thuỷ điện tích năng

Thiết hị truyền động thuỷ lực là thiết bị lấy chất lỏng làm môi giới để truyền cơ năng từ

bộ phận này sang bộ phận khác, như xilanh thuỷ lực trong m áy nâng thuỷ lực, khớp nối trục thuỷ lực

Chán vịt của tàu thuỷ, ca nô thì biến mô men quay của trục chân vịt thành lực tác dụng

lên nước, tạo ra một phản lực của nước tác dụng ngược lại lên chân vịt làm cho tàu thuỷ, ca

nô chuyển động

Trong phạm vi giáo trình này chỉ đi sâu vào hai loại m áy thuỷ lực được sử dụng ở nhà máy thuỷ điện và trạm bơm, đó là tuabin nước và máy bơm

1.2 CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA TU AB IN NƯỚC

Các thông số chính của tuabin nước là lưu lượng nước qua tuabin, cột nước làm việc, công suất và hiệu suất của tuabin

ỉ C ột nước làm việc của tuahin.

Hình 1-2 là sơ đồ lắp đặt tuabin ở nhà máy thuỷ điện (NMTĐ)

Đ ộ chênh mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu gọi là cột nước tình của trạm thuỷ điện (TTĐ), ký hiệu H r

C ột nước làm việc của tuahin H là hiệu năng lượng đơn vị của dòng nước đi qua tuabin

tại mặt cắt vào (E,) và tại mặt cắt ra (Et) của tuabin:

Với : hIt - tổn thất cột nước trên đường dẫn;

Àh2 - chênh lệch áp suất giữa m ặt cắt ra của tuabin với hạ lưu;

Ht - cột nước tĩnh của TTĐ, đó là độ chênh mực nước giữa thượng và hạ lưu

2 Lưu lượng tuahin là chỉ lưu lượng dòng chảy đi qua tuabin , kỷhiệu là ọ , đơn vị mVs.

3 Nếu gọi N ilr lù công suất của dòng nước, tính bằng ỵ ỌH, còn N r là công suất trên

N

trục tuabin, thì tý sô —— goi là hiên suất tuahin, ký hiên riT

N dc

Như vậy, nếu H lấy đơn vị là m, Q lấy đơn vị là m 3/s, g = 9,81 m /s2, p = 1000kg/m3, NT

lấy đơn vị là kW , ta có cồng thức tính công suất làm việc của tuabin:

Nt=9,81QH77t (1-3)Tuabin nước thường được nối với máy phát điện Máy phát điện nối với tuabin nước gọi

là máy phút điện tỉmỷ lực, khối máy bao gồm tuabin nước ghép với máy phát điện gọi là tổ mây thuỷ lực, thường gọi tắt là tổ máy Hình 1-3 là kết cấu tổ máy thuỷ điện lớn đặt đứng.

Hình 1-2: Sơ dồ tnahin lấp dặt ỏ NMTĐ.

Hình 1-3: Kết cấu tô rná\ dặt dứng với tuabin cánh CỊÌIUV.

1 Chóp nhận dầu; 2 Ong dầu; 3 Máy phát điện; 4 Ô đỡ; 5 Palăng; ố.Động cơ secvô; 7 Vành điều chinh BPHD; 8.Thanh quay; 9.Vành trên; 10.Nắp TB; 1 l.Stato TB; 12.Vành dưới; 13.Buồng BXCT 14.Cánh BXCT 15.Đầu trục; 16.thanh quay; n.Thanh kéo; 18.BXCT; 19.Pittông; 20.Côn ống hút; 21.v ỏ BXCT’ 22.Chông rò; 23.Thanh kéo; 24 Ô hướng TB; 25.Cánh hướng; 26.Vòng lót; 27.Thanh quay; 28.Nắp dậy 29.Hầm TB; 30.Trục; 31.Giá đỡ

1.3 CÁC LOẠI TUABÍN NƯỚC HIỆN ĐẠI

Từ phương trình trên ta thấy năng lượng của một đơn vị chất lỏng gồm có ba thành phần

khác nhau: vi năng z , áp năng — và đông năng — , trong đó vi năng và áp năng là hai dang

của thế năng Do đó, năng lượng của dòng nước gồm có hai dạng: thế năng và động năng.Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng nào của dòng chảy tác động vào bánh xe công tác (BXCT) tuabin là chủ yếu m à có thể chia tác động của dòng nước thành hai dạng:

- Tác động phản kích (do thành phần thế năng tác động là chủ yếu);

- Tác động xung kích (do thành phần động năng tác động là chủ yếu);

Năng lượng E|„, do dòng chảy trao cho tuabin có thể xác định bằng hiệu năng lượng đơn

vị của dòng chảy trước khi vào BXCT (điểm 1 trên hình 1-2) và sau khi ra khỏi BXCT (điểm 2 trên hình 1-2) :

E,_, = ( Z , + ^ - + Ì ) - ( Z 2 + ^ + ^ Ì )

E , 2 = {(Zi + P Ị ) - ( Z 2 + ^ ) } + (1 -5 )

= Phần nàng lượng phản kích + Phần năng lượng xung kích

Hiệu số (Z , + — ) - ( Z 2 + — ) càng lớn thỉ phần năng lượng phản tích (phần thế năng)

1.3.2 Phân ỉoại tuabin và phạm vi sử dụng

Vì điều kiện thiên nhiên (địa hình, địa chất và thuỷ văn) của các TTĐ rất khác nhau, cho nên cột nước của TTĐ và lưu lượng nước đi qua tuabin cũng rất khác nhau Phạm vi biến đổi cột nước rất lớn từ một vài mét đên hàng nghìn mét Phạm vi biến đổi của lưu lượng nước cũng rất lớn từ vài 1/s ở thuỷ điện nhỏ kiểu gia đình đến hàng trăm nrd/s ở những TTĐ lớn Vì vậy, tuabin phải có nhiều kiểu, nhiều cỡ khác nhau mới đáp ứng được nhu cầu sử dụng năng lượng nước

Tuỳ theo kiểu tác động của dòng nước và BXCT mà chia tuabin thành hai loại chính: tuabin phản kích và tuabin xung kích Loại tuabin lại được chia làm nhiều hệ khác nhau Trong mỗi hệ lại chia làm nhiều kiểu tuabin theo mẫu BXCT và các cỡ (kích thước) khác nhau.

a ) Loại tuabiii phản kích có các hệ:

- Tuabin chong chóng (còn gọi tuahin Propeller) dùng ở TTĐ cột nước thấp H = 2-r 70m.

- Tuabin cánh quay (còn gọi tuabin Kaplan) thường gặp ở các TTO vừa và lớn với cột nước thấp và trung bình Mẫu tuabin này do kỹ sư Vikto Kaplan người Tiệp Khắc để xuất

(1913) Cột nước làm việc của tuabin H = 2 -4-90m Đường kính BXCT lớn nhất hiện nay là 10,5m TTĐ Djerda-Cửa sắt trên sông Đanuyp lắp tuabin cánh quay có đường kính BXCT tuabin Di = 9,5m, công suất tổ máy NT= 178Mw, H = 17,5-f35,5m do Liên bang Nga chế tạo Tuabin cánh quay lắp đặt ở TTĐ Gezhouba trên sông Trường giang (do hãng Harbin Trung quốc chế tạo) có D, = 10,2m, công suất tổ máy Nx= 127,9Mw, H = 10,6-^27m

Hai hệ tuabin nói trên có dòng chảy qua BXCT song song với trục quay nên còn gọi là

- Tuabin chéo trục là loại tuabin xuất hiện trong thời gian gần đây, đặc điểm của nó là

cánh BXCT đặt nghiêng với trục quay một góc 45°H-60° Phạm vi cột nước H = 40^-200m Đường kính BXCT lớn nhất là ở TTĐ Zeya (Nga) lắp tuabin chéo trục Dị = 6m, công suất

tổ máv Nt = 215 Mw, H tt= 78.5m

b) Loại tuabin xung kích có các hệ:

- Tuabin gáo (còn gọi tuabin Pel ton) do kỹ sư người Mỹ Pelt on để xuất (1870) Tuabin

gáo thường dừng ở TTĐ cột nước cao, với H = 300 -f 2000m ở thuỷ điện lớn và 40 -f- 250m ở thuỷ điện nhỏ Cột nước cao nhất hiện nay là ở TTĐ-S Fiorano công suất tổ máy NT= 140 MW, H„ - 1404m

- Tuabin xung kích hai lần (còn gọi tuabin Banki) do kỹ sư người Hungari đề xuất

Tuabin Banki thường gặp ở thuỷ điện nhỏ Cột nước sử dụng H = 6 -r 150m

- Tuabin tia nghiêng (còn gọi tuabin Turgo), chỉ gặp ở thuỷ điện nhỏ với H = 30^-400m Ngoài ra, còn có một số hệ tuabin phản kích khác như tuabin dòng chảy thẳng vả nửa thẳng (tuabin Cap.xun), thường gặp ở nhà máy điện thủy triều, hay tuabin- bơm (máy thuỷ

lực thuận nghịch) ở nhà máy thuỷ điện tích năng

1.4 KẾT CẤU MỘT SỐ HỆ LOẠI TUA BIN NƯỚC THƯỜNG GẶP

1.4.1 Tuabin chong chóng (hình 1-4)

Tuabin chong chóng có kết cấu đơn giản nhất trong các loại tuabin phản kích Kết cấu của nó cũng thay đổi tuỳ thuộc vào cột nước và công suất tác dụng và cách lắp đặt (đặt

đứng hoặc đặt nằm) Trên hình 1-4 là kết cấu tuabin chong chóng đặt đứng Tuabin chong chóng gồm các bộ phận:

• Bánh xe công túc tuabin (BXCT) gồm có bầu và các cánh BXCT gắn cố định trên bầu

Số lượng cánh BXCT từ 2 đến 9, thông thường là từ 4 đến 8 cánh M ặt cánh cong không gian, prôphin cánh (còn gọi là biên dạng cánh) có hình dáng thay đổi từ trong ra ngoài (hình 1-4) Cánh BXCT có thể chế tạo cùng với bầu thành m ột khối hoặc chế tạo riêng rồi gắn chặt vào bầu bằng bulông BXCT là bộ phận chuyển hoá năng lượng nước Khi nước chảy trên m ặt cong của cánh, do nước phải đổi hướng nên tạo ra m ột áp lực tác dụng lên bề

m ặt cánh BXCT, gây nên m ômen quay làm quay BXCT tuabin

• Buồm* BXCT là chỗ lắp đặt BXCT Buồng BXCT có dạng hình trụ Khe hở giữa buồng

và cánh BXCT nằm trong phạm vi (0,0005-n,001)D ,, trong đó D, là đường kính BXCT

Hình 1-4: Tưahin chong chóng trục đứng công suất ¡ớn.

1 Buồng xoắn; 2 Stato; 3 Cánh hướng dòng; 4 Vành trên BPHD; 5 Nắp tuabin; 6 Vành điểu chinh;

7 Động cơ secvô; 8 Trục tuabin; 9 Ô hướng; 10 Bẩu BXCT; 11 Cánh BXCT; 12 Buồng BXCT; 13 Ông hút

• Buồng tuabin là bộ phận dẫn nước vào BXCT Có nhiều loại buồng tuabin Ở TTĐ lớn, buồng tuabin thường có dạng xoắn ốc, gọi là buồng xoắn Kích thước, kết cấu buồng tuabin

có ảnh hưởng quyết định đến kích thước nhà máy thuỷ điện, vì vậy sẽ được giới thiệu kỹ hơn ở chương 3

• Ông hút là bộ phận dẫn nước từ BXCT xuống hạ lưu Nhờ có ống hút mà phần cột

nước từ BXCT tới hạ lưu (khi BXCT nằm trên mực nước hạ lưu) được sử dụng và phần lớn động năng còn lại sau khi ra khỏi BXCT được phục hồi làm cho hiệu suất của tuabin tăng cao Kết cấu của ống hút cũng rất đa dạng và có liên quan nhiều đến kích thước, kết cấu của nhà máy thuỷ điện, cũng được trình bày kỹ hơn ở chương 3

• Stato tuabin có nhiệm vụ truyền tải trọng nằm phía trên nó xuống m óng nhà m áy thuỷ

điện Các tải trọng này gồm: trọng lượng bản thân của các phần quay và không quay của tố máy, áp lực thuỷ động dọc trục tác dụng lên BXCT, tải trọng sàn và bệ đỡ m áy phát điện

ở TTĐ vừa và lớn lắp đặt tuabin trục đứng thường gặp stato kiêu trụ (hình 1-5) Stato kiểu trụ có hai vành (trên và dưới) bằng kim loại, giữa hai vành là các cột stato (hình 1-5 b,c), cũng có khi stato được chế tạo thành từng cột riêng biệt và hai đầu cột có hai bệ chôn trong

bê tông (hình 1-5 a) Nếu tải trọng tác dụng lên stato chỉ là lực nén thì chế tạo bằng gang, nếu là lực nén và kéo (thường gặp ở TTĐ cột nước trung bình và cao) thì làm bằng thép Các cột stato kiểu trụ nằm trong cùng một mặt trụ đồng thời với trục tuabin Để giảm bớt tổn thất thuỷ lực đến mức thấp nhất phải chọn hình dáng tiết diện ngang và bố trí các cột sao cho thuận dòng nhất Số cột stato thường lấy bằng một nửa số cánh hướng dòng và phân

bố đểu theo vòng tròn Răng buồng xoắn cũng làm nhiệm vụ trụ stato Ngoài stato kiểu trụ, còn gặp stato kiểu hướng tâm dùng ở tuabin dòng chảy thẳng và nửa thẳng (hình 1 -6) hay stato kiểu chóp dùng ở tuabin chéo trục (hình 1-7)

Hình 1-5: Stato tưahin kiểu trụ

a) Cột riênq biệt chôn troìVị bê tôníị;

b) Cột stato hàn vảo vành; c) Cột riêniỊ biệt

Hình 1-7: Tuahin chéo trục với BPHD kiểu chóp.

• Bộ phận hướng dòng (BPHD) (hình 1-8) BPHD nằm ở phía trong stato, làm nhiệm vụ:

+ Thay đổi trị số và hướng của vận tốc dòng chảy trong khoảng không gian giữa BPHD

và BXCT để tạo điều kiện thuận lợi cho dòng chảy đi vào cánh BXCT nhằm nâng cao hiệu suất tuabin

+ Thay đổi công suất của tuabin bằng cách thay đổi lưu lượng nước đi qua tua bin

Để làm nhiệm vụ trên, các cánh hướng dòng được bố trí đều chung quanh và được gắn vào hai vành trên và dưới Các cánh hướng dòng có thể quay được quanh trục cánh có ổ trục tại vành trên vành dưới và đầu trục gắn vào vành điều chỉnh qua hệ thống thanh kéo, thanh quay (hình 1-8)

Vành điều chỉnh được điều khiển từ động cơ secvô của máy điều tốc Khi các cánh hướng dòng quay thì không những khoảng cách giữa các cánh hướng dòng (gọi là độ mở của cánh hướng a0) thay đổi nên lưu lượng đi vào tuabin thay đổi mà cả hướng của vận tốc

đi vào BXCT cũng thay đổi

Sỏ' lượng cánh hướng dòng thường nằm trong khoảng từ 16 cánh đến 32 cánh Tuabin nhỏ (D ,<225cm ) có 16 cánh Ở tuabin lớn, với D|<650cm có 24 cánh, còn với D ,>700cm

có 32 cánh Tuabin cực nhỏ, BPHD thường có cánh cố định chuyển hướng của vận tốc dòng chảy vào BXCT và thường có số cánh ít hơn (10-f 14 cánh) Để giảm bớt tổn thất thuỷ lực ơ BPHD, hình dáng các cánh hướng dòng phải thuân dòng và bề mặt tiếp xúc với nước phải nhẵn và phải phối họp với buồng tuabin, trụ stato sao cho góc tới của dòng chảy trong các chế độ làm việc của tuabin là bé nhất

Hiện tại đối với tuabin phản kích đặt đứng thường dùng BPHD kiểu trụ (hình 1-8) Ngoài ra, còn có BPHD kiểu hướng tâm ở tuabin dòng chảy thẳng và nửa thẳng (hình 1 -6) hay BPHD kiểu chóp (hình 1-7) ở tuabin chéo trục

Ngoài các bộ phận trên còn có nắp tua bin và bộ phận đỡ trục (ổ hướng của tuabin)

Hình 1-8: Bộ phận hướng dòng hình trụ với cơ câu diều chỉnh.

1 Cánh hướng dòng; 2 Vành dưới; 3 Vành trên; 4 0 trục cánh hướng 5. Trục quay cánh;

6 Ô hướng của tuabin; 7 Thanh quay; 8 Thanh kéo; 9 Vành điều chính

1.4.2 Tuabỉn cánh quay

Mặc dù các bộ phận nói chung giống tuabin chong chóng, song kết cấu tua bin cánh quay phức tạp hơn (xem hình 1-3 và 1-9) Sự khác nhau chủ yếu ở chỗ cánh BXCT 1 và bầu BXCT 4 được chế tạo riêng biệt Ớ đây cánh BXCT có trục quay cánh 2 và ổ đỡ nên cánh

có thể quay được Bên trong bầu BXCT 4 lắp đặt pittông động cơ secvô 7 có các tai nối với các cánh BXCT qua thanh kéo 6 và thanh quay 5 làm quay đồng thời các cánh BXCT 1 Nhờ vậy, khi cột nước làm việc và lưu lượng của tuabin thay đổi ta có thể thay đổi góc đặt cánh của tuabin để quá trình chuyển hoá năng lượng đạt kết quả cao nhất Buồng BXCT ở phía trên có dạng hình trụ, còn phần dưới có dạng bán cầu để đảm bảo khe hở giữa cánh và buồng BXCT nhỏ Chỗ tiếp nối buồng BXCT với ống hút bị thắt lại gọi là cổ ống hút, có đường kính Dh= (0,973 -5-0,982)D,

Hình 1-9: Cánh BXCT tuahin cánh quay và cơ cấu quay cánh

1.4.3 Tuabỉn tâm trục

Tuabin tâm trục là m ột trong những hệ tuabin phản kích được sử dụng rộng rãi nhất Chuyển động của chất lỏng trong BXCT lúc đầu theo hướng xuyên tâm Khi đi qua rãnh giữa các cánh BXCT dòng nước chuyển hướng 90° và ra khỏi BXCT theo hướng dọc trục

Vì thế, được gọi là tuabin tâm trục, v ề kết cấu, các bộ phận của tuabintâm trục như : buồng tuabin, ống hút, BPHD, trục, ổ trục không có khác biệt mấy tuabin chong chóng và tuabin cánh quay, trừ bánh xe công tác Hình 1-10 là kết cấu tổ máy lắp tuabin tâm trục

Bánh xe công tác tuabin tâm trục (hình 1-11) gồm có vành trên 1, vành dưới 2 Giữa hai vành là các cánh có dạng cong không gian ba chiều Số lượng cánh từ 12 đến 22 chiếc BXCT tuabin tâm trục thường được đúc thành m ột khối Trong điều kiện vận chuyển hạn chế có thê chế tạo BXCT gồm hai hoặc ba mảnh Khi lắp ráp tại hiện trường sẽ hàn nối các rãnh phân chia Cũng có khi người ta chế tạo cánh BXCT riêng rồi hàn hoặc đúc liền vào vành trên và vành dưới BXCT tuabin tàm trục cột nước trung bình (H<80m) có tỷ số

^ - > l ( h ì n h 1-1 la), còn với cột nước cao thì < 1 (hình 1 -1 lb)

Tuabin gáo thuộc loại tua bin xung kích, có nguyên lý làm việc khác với tuabin phản kích, nên về cấu tạo cũng khác hắn.

Các hệ loại tuabin xung kích: gáo, xung kích hai lần, tia nghiêng đều có các bộ phận

- Vòi phun có nhiệm vụ biến toàn bộ nặng lượng nước thành động năng trước khi đưa vào

BXCT Để điều chỉnh lưu lượng nước đến BXCT, ở đầu vòi phun có van kim Khi đường ống dài, nếu đóng nhanh van kim thì áp lực nước va lớn Để hạn chế trị số áp lực trong tuabin gáo cócơ cấu cắt dòng Khi có sự cố dừng máy, tuy vẫn đóng van kim từ từ, nhưng nhờ có cơ cấu cắt dòng không cho tia nước bắn vào gáo nên tuabin dừng lại nhanh chóng

- BXCT tuahin gáo (hình 1-13) gồm có đĩa I, trên đĩa gắn các cánh 3 có dạng gáo vào

chung quanh đĩa, thường có từ 14 dến 60 gáo tuỳ theo cột nước

Tia nước khi bắn vào gáo tạo xung lực làm BXCT quay Khi vào gáo, tia nước bị “dao” của gáo rẽ làm đôi, nước lướt trên mặt gáo rồi bắn ra ngoài rơi thẳng xuống buồng thoát Cột nước lợi dụng ở tuabin gáo được tính từ mực nước thượng lưu đến điểm tia nước bắn vào gáo

- Vỏ tuahin có nhiệm vụ không cho nước từ BXCT bắn ra ngoài gian máy.

- Buồng thoát có nhiệm vụ tập trung nước sau khi ra khỏi BXCT để đưa ra kênh xả.

- BXCT phải đặt cao hơn mực nước trong buồng thoát

1.4.4 Tuabin gáo (hình 1-12)

Hình 1-12: Tuahiìì gáo trục ngang.

1 Vòi phun; 2 BXCT; 3 Trục; 4 ông dẫn nước; 5. Van kim; 6 Đẩu van kim;

7 Cơ cấu dóng mở; 8 Bánh đà; 9 0 đỡ; 10-VÓ; 11 Van đường ống; 12 Kênh tháo; 13 Miệng vòi phun

Hình 1-13: Tổ máy lắp tuahin gáo đặt đứm> và BXCT tuabin

1.4.5 Tuabỉn xung kích hai lần (hình 1-14)

Tuabin xung kích hai lần có kết cấu đơn giản nên thường dùng ở TTĐ nhỏ cột nước cao Tua bin gồm vòi phun có tiết diện chữ nhật Vòi phun được điều chỉnh lưu lượng bằng van phẳng gắn vào trục điều chỉnh Khi quay vô

lăng sẽ làm trục điều chỉnh xê dịch làm thay đổi

tiết diện vòi phun BXCT gồm hai đĩa và các

cánh cong gắn vào giữa hai đĩa, số cánh thường

từ 12 đến 48 chiếc Trục tuabin xuyên qua chính

giữa BXCT qua tâm hai đĩa Do ở giữa BXCT

rỗng nên nước sau khi bắn vào cánh BXCT lần

thứ nhất sẽ rơi vào khoảng trống trong BXCT

rồi lại tác động lên cánh BXCT nằm ở phía dưới

một lần nữa trước khi ra khỏi BXCT rơi xuống

buồng thoát Vì thế có tên tuabin xung kích hai

lần Ở lần tác động thứ nhất dòng nước truyền

khoảng 83% năng lượng Còn lần tác động thứ

hai trao tiếp 17% năng lượng còn lại Hình 1-14: Tuahm xung kích hai ìần

Câu hỏi ôn tập và bài tập

1 Các máy nào thuộc vế máy thuỷ lực? Tuabin nước và máy bơm làm việc trên nguyên

lý nào?

2 Các thông số chính của tuabin?

3 Phân loại tuabin: loại , hệ, kiểu, cỡ tuabin? Phạm vi cột nước sử dụng?

4 Cấu tạo một số hệ loại tuabin thường gặp: tuabin chong chóng, tuabin cánh quay, tuabin tâm trục, tuabin gáo?

5 Bài tập Biết MNTL=215m; MNHL= 150m; vận tốc trước cửa lấy nước là 0,2m/s; vận tốc nước ở hạ lưu là 0,2m/s; đường ống thép dẫn nước vào tuabin có D=7m, L=200m , tổng

hệ số tổn thất cục bộ trên đường dẫn là 1,02; lưu lượng lớn nhất qua đường ống là 200m 3/s; tiết diện cửa ra của ống hút tuabin là 39, lm 2 Xác định:

• Mực nước đo áp tại mặt cắt trước buồng tuabin và tại cửa ra của ống hút tuabin

• Cột nước làm việc của tuabin tính theo công thức gần đúng (1-2) và theo công thức chính xác (1-1)

C hương 2

C ơ SỎ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA TUABIN

2.1 QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA TUABIN

Như đã nói ở trên, dòng nước tác động vào cánh tuabin có hai cách khác nhan về nguyên tắc: tác động xung kích và tạc động phản kích Tác động xung kích của tuabin xung kích là khi tia nước bắn vào bản chắn (cánh BXCT), bản chắn ngăn tia nước lại, động năng tia nước truyền cho bản chắn, xung lực này làm cho BXCT quay, ở đây không

có sự tham dự của thành phần áp năng Tác động phản kích của dòng nước ở tuabin phản kích là do dòng nước khi chảy qua BXCT bắt buộc phải chảy trong các rãnh giữa hai cánh BXCT, làm thay đổi cả độ lớn lẫn hướng của vận tốc nước Do nước phải đổi hướng chảy tạo nên phản lực tác dụng lên cánh BXCT' Phản lực này tác động lên tất cả các cánh BXCT tạo nên m ôm en quay tuabin

Trong tác dộng xung kích, quá trình chuyển động của tia nước từ khi đi vào cánh tuabin cho đến khi ra khỏi tưabin xảy ra trong môi trường không khí có áp suất không đổi pa Còn trong tác động phản kích, quá trình tác động của dòng chảy lên cánh BXCT xảy ra trong môi trường nước có áp suất thay đổi, tức áp lực nước tại các điểm khác nhau của dòng nước không giống nhau

2.1.1 Quá trình làm việc của tuabin gáo

Tuabin gáo thuộc loại tuabin xung kích BXCT tuabin gáo đặt trong không khí, do đó chỉ có thể sử dụng phần động năng của chất lỏng và dòng nước chỉ tác động lên một bộ phận của BXCT ( do tia nước chỉ bắn vào một gáo trong các gáo gắn trên BXCT) Khi tia

nước bắn vào gáo với vân tốc vr , tia nước chảy vào mãt gáo với vân tốc V,, có thể coi Vj= V

Vận tốc của tia nước bắn ra từ vòi phun được xác định bằng công thức:

với:<p- hệ số vận tốc của nước vòi phun, ạ> = 0,95.

H - cột nước tính từ mực nước thượng lưu đến vòi phun

Dươi tac đọng xung kích cua tia nươc, BXCT quay VƠI tôc đỏ quay n Vân tốc chuyển đôna cùa các điểm trên gáo cách tâm quay một đoạn r (bán kính) được xác định theo công thức:

Tại mép vào của gáo, V, là vận tốc tuyệt đối của nước, còn li, là vận tốc chuyển cĩộnv, theo (vạn toc quaỵ cua diêm trên gáo tại mặt căt v à o ), nên vân tốc nước chảy trên măt con° cua gao tại mạt cat vao (vận tôc tương CĨÔI giữa nước và gáo) Iàw, =V! —ũ ị v ề hướng của vạii toc, thi vụn tôc tuyệt đôi, vận tốc tương đôi vù vân tốc chuyển đônq theo (gọi tắt là vân

tốc theo) ở đây có cùng một hướng khi góc vào không va của tia nước ô, rất bé Góc này

(2 - 1)

phụ thuộc vào “dao” nằm giữa gáo cắt tia nước thành hai phần cháy về hai bên mặt gáo có

độ cong lớn (hình 2-1) Dòng nước chảy trên mặt cong của gáo và chảy ra ngoài với vận tốc

tương đối w2 Nếu góc S2 ( góc giữa tiếp tuyến mặt cong gáo tại điểm ra với phương quay)

rất bé, thì ta có hướng của w2 ngược với Wị Vận tốc tuyệt đối v2 ( vận tốc nước khi ra khỏi gáo) là:

ở đây, Ịw I = jwJI và tuỳ thuộc Q, còn u^ = Uị -• u và tuỳ thuộc n

Như vậy, nếu độ cong của gáo làl 80° và vận tốc theo là vận tốc theo lợi nhất u = — thì

|w, I = |w, ị = u = — , do đó V, * 0, nên tác đông xung kích của tia nước đat hiêu quả cao nhất

Á.

Trên thực tế do tia nước có bề dày nhất định, góc cong của gáo lấy nhỏ hơn 180° và

dòng chảy ra khỏi vòi phun có tổn thất thủy lực, nên vận tốc quay u lợi nhất không hoàntoàn bằng — và do đó hiệu suất thủy lực của tuabin bé hơn 1

Hình 2-1: Quá trình lìim việc của tuahin gáo.

2.1.2 Quá trình làm việc cua tuabin phản kích

ỉ Dòng chảy sau cánh hướng dòng trước khi đi vùo BXCT

Như đã nói trên, nhiệm vụ của bộ phận hướng dòng (BPHD) là điều chỉnh lưu lượng nước vào BXCT, đồng thời hướng dòng chảy vào BXCT cho thuận hơn

Lưu lượng nước qua BPHD xác định theo công thức :

Q = TcD0b 0v 0 s i n a 0 =7ĩD0b 0v 0r ( 2 - 5 )

Trong đó:

D0- đường kính vòng tròn của BPHD tại các điểm có vận tốc v 0;

b 0- chiều cao cánh hướng dòng;

v 0 và v 0r, v 0u - vận tốc tuyệt đối của dòng chảy tại mép ra cánh hướng dòng và thành phần hướng tâm và thành phần theo phương quay tròn của nó;

a 0 - góc giữa v0 và tiếp tuyến của vòng tròn tại điểm đó, thay đổi khi độ m ở ao thay đổi

Lượng xoáy tại mép ra cánh hướng dòng tính theo công thức :

Nếu khoảng cách giữa mép ra của cánh hướng dòng với mép vào BXCT bé (ví dụ như ở tuabin tâm trục) thì v, và v 0 sẽ hầu như trùng nhau cả hướng lẫn trị số Như vậy có nghĩa

là ứng với lưu lượng qua tuabin cho trước, thì hướng của véc tơ vận tốc tại m ép vào BXCT

là do vị trí của các cánh hướng dòng quyết định

Trường hợp khoảng không gian giữa BPHD và BXCT lớn (ví dụ như ở tuabin hướng trục), nếu bỏ qua lực m a sát trong khoảng không gian này thì mô men ngoaị lực tác dụng lên dòng nước so với trục quay ở đây sẽ bằng không, ta có:

v ouiroi = v0u2 r02 = v0ur0 = v 0 c o s a 0r0 = const (2 - 7)nghĩa là vận tốc trong khoảng không gian giữa BPHD và BXCT biến đổi theo quy luật

môtnen vận tốc không đổi hay lượng xoáy không đổi.

2 Chuyển động củư dòng chảy trong BXCT tuahin phản kích.

Khác với tuabin xung kích, BXCT tuabin phản kích nằm trong nước, nước chảy qua các rãnh giữa các cánh BXCT Cánh BXCT bắt dòng nước phải thay đổi hướng và độ lớn của vận tốc nên dòng nước cũng tác dụng ngược trở lại lên cánh BXCT một lực, gây nên mômen quay làm BXCT quay Ở đây, nước chảy trong BXCT là một chuyển động phức hợp, bao gồm chuyển động theo là chuyển động quay của BXCT và chuyển động tương đối

là chuyển động của nước chảy trên cánh BXCT

Lấy tuabin hướng trục làm ví dụ để phân tích chuyển động dòng chảy trên BXCT ta thấy nước trong BXCT tuabin hướng trục chảy trên các mặt trụ đồng tâm (xem hình 2-2a) với quỹ đạo hình xoắn ốc

Hình 2-2: Dòng chảy trong BXCT tuabin hướng trục

Nếu cắt qua BXCT bằng một mặt trụ đồng tâm với trục quay và trải nó ra thành mặt

phắng, ta có lưới prôplìin cánh (hình 2-2b) dùng để nghiên cứu chuyến động cua nước trên

Với tuabin tâm trục, chuyển động cúa dòng chảy trong BXCT và cách vẽ các hình bình

hành vận tốc cũng tương tự tuabin hướng trục Điều lưu ý là ở đày nước cháy trên các mặt tròn xoay, không phải là trên các mặt trụ.

3 C h ế độ lủm việc của tnahin trong vận hành

ở trên trình bày chuyển động dòng chảy trong BXCT ở chế độ thiết kế, đám bảo dòng chảy vào thuận nhất (góc tới của dòng chảy và góc đặt cánh tại mép vào trùng nhau), gọi là

dòng chảy “ vừơ không va”, đồng thời dòng chảy ra khỏi BXCT có vận tốc nhỏ nhất, tức

V2 = v 2i /c o s ( a 2 - 9 0 ° ) = v 2m khi a 2 = 90°, thường được gọi là điều kiện ”ra thẳng góc”.

Trong quá trình làm việc của tuabin, công suất phát điện phụ thuộc vào yêu cầu phụ tải, nghĩa là phải thay đổi công suất làm việc của tuabin theo nhu cầu phụ tải Công suất làm việc của tuabin N = 9,81QHr| thường được thay đổi bằng cách thay đổi lưu lượng qua tuabin Trong tuabin phản kích, lưu lượng được thay đổi bằng cách thay đổi độ m ở của cánh hướng dòng tuabin Khi thay đổi độ mở, có thể làm cho dòng chảy vào BXCT không thuận, tức góc vào không trùng với góc đặt cánh BXCT tại mép vào, gây nên tổn thất thủy

lực do dòng chảy vào “có va”, tức dòng chảy không bám vào thành prôphin cánh Đối với dòng chảy ra khỏỉ BXCT cũng vậy, khi thay đổi lưu lượng, trị số v2m thay đổi trong khi It2 không đổi, làm cho a 2 * 90° Như vậy, đối với tuabin chong chóng và tuabin tâm trục, do

cánh cố định nên với m ột kiểu BXCT chỉ có m ột chế độ làm việc (chế độ thiết kế) là đảm

bảo điều kiện “vào khóm > va, ra thẳng gốc” Khi chế độ làm việc của tuabin thay đổi (thay đổi Q) thì sẽ không thể thoả mãn điều kiện “vừo không va, ra thẳng góc” được, nên hiệu

suất của tuabin giảm xuống V í dụ như tuabin chong chóng, ở chế độ thiết kế, dòng chảy thẳng góc với tiếp tuyến phương quay, song khi giảm lưu lượng thì thành phần vận tốc v2

giảm, tức v2 giảm, trong khi u2 không đổi (do vòng quay tuabin không đổi), vì vậy trị số

véctơ vận tốc tuyệt đối thay đổi cả độ lớn lẫn hướng, (xem hình 2-3b) làm cho dòng chảy ra BXCT bị xoáy mạnh Khi đó, ống hút sẽ làm việc không tốt vì không phục hồi được nhiều năng lượng dòng chảy xoáy, nên hiệu suất tuabin giảm đi nhiều

Đối với tuabin cánh quay, do cánh BXCT có thể quay được quanh trục của mình nên khi lưu lượng qua tuabin khác với trị số thiết kế, tình hình dòng chảy trong BXCT của nó khác với tuabin chong chóng (hình 2-3a)

Như trên ta thấy, để cho dòng chảy ra thẳng góc thì phải thoả mãn điều kiện:

u , = — cotg(180° - p , ) F2

Hình 2-3: Các véctơ vận tốc tại mép ra cảnh BXCT

của tuưhin chong chống và tuahin cánh cpưiy.

Muốn thế khi Q thay đổi phải thay đổi góc /? , Khi cánh BXCT quay được, ta có thể quay cánh BXCT để

thay đổi góc P 2 cho phù hợp điều

kiện ra thẳng góc (xem hình 2-3c) Ở đây góc đặt cánh tuabin cũng được phối hợp với góc đặt cánh hướng dòng đê tạo điều kiện dòng chảy vào không va hoặc có va ít nhất.Vì vậy tuabin cánh quay có hiệu suất cao ở các chế độ làm việc khác nhau của tuabin, tức khi thay đổi lưu lượng và cột nước hiệu suất tuabin vẫn cao Để xác định lực và các chỉ tiêu năng lượng của dòng chảy lên BXCT ta vận dụng định luật m ôm en động lượng của chuyến động

2.2 PHƯƠNG TRÌNH NĂNG LƯỢNG c ơ BẢN CỦA TUABIN

Để xác định lực và các chỉ tiêu năng lượng của dòng chảy lên BXCT ta vận dụng định luật mômen động lượng của chuyển động

Xét một bó dòng nguyên tố của dòng chảy trong chế độ làm việc ổn định (hình 2-4) Giả

sử sau thời gian dt, nó từ vị trí đầu sang vị trí thứ hai Giả sử khối lượng bó dòng là m, vận tốc nước tại vị trí thứ nhất là

ũ, = ũ lu + ũ ,,.+ ũ lm , tại vị trí thứ hai là

ũ 2 = ũ 2u + ũ 2, + ũ2m Tại vị trí đầu có bán kính quay là r,, tại vị trí thứ hai có bán kính quay là r2 Như vậy, biến thiên m ômen động lượng của bó dòng là :

d (v ur) = m ,v lrl - m 2v 2r2 ( 2 - 1 3 )

y q

với m = m, = m 2 = — dt và q là lưu lượng

gcủa bó dòng

Theo định luật biến thiên mômen động lượng, ta có:

Z M ũ = X ' - ( v2u L - v :url) (2 -1 4 )

g

Ở đây: — = pQ - tổng khối lượng bó dòng;

g

^ M 0 - tổng mồmen ngoại lực tác dụng lên khối nước

Do khối nước có dạng tròn xoay nên mômen áp lực bằng không Lực ma sát rất nhỏ nên

có thể bỏ qua Như vậy, mômen ngoại lực ở đây là do tác dụng của cánh BXCT lên dòng chảy Mômen này đúng bằng mômen tác dụng của dòng chảy lên cánh BXCT là M, song

có hướng ngược lại (theo định luật Niutơn), tức:

ở đây H là cột nước làm việc của tuabin v à r|t| là hiệu suất thuỷ lực

Do đó, thay vào công thức trên ta có:

gH r|tl = c o v lur, - Cứ v 2ur2

Hình 2-4: Sơ đồ dòììiị chảy

trom> tuahin phản kícìì

(2 - 17)

Phươno trình trên được gọi là phương trình năng lượng cơ hàn của tnahin do ơ le tìm ra

năm 1754 Nó cho thấy mối quan hệ giữa các thông số năng lượng và thông số động học trong tuabin

2.3 KIỂU TUABIN VÀ LUẬT TUƠNG T ự

2.3.1 Kiêu tuabin

Kiểu tuabin được xác định bằng hình dạng hình học của phần dẫn dòng (các bộ phận tuabin tiếp xúc với nước) Nói cách khác tất cả tuabin cùng một kiểu thì có hình dạng phần dẫn dòng đồng dạng Điều đó có nghĩa các kích thước hình học tương ứng của chúng phái theo một tỷ lệ nhất định:

(Các ký hiệu a, b biểu thị kích thước đó thuộc tuabin a hay tuabin b)

Trong tuabin cùng kiểu các phần sau đây phải đồng dạng: buồng tuabin, stato, BPHD, BXCT, buồng BXCT, ống hút

Điều kiện nói trên còn gọi là điều kiện tương tự hình học.

2 3.2.Tương tự động học và tương tự động lực học

Tuabin nước là loại m áy thuỷ lực có kích thước lớn thường khó có điều kiện thí nghiệm nguyên hình để hiệu chỉnh tính toán m à thường phải thu nhỏ lại thành mô hình để làm thí nghiệm, sau đó dựa vào luật tương tự để suy ra đặc tính thực của tuabin từ kết quả thí nghiệm Biện pháp dùng thí nghiệm mô hình để nghiên cứu các đặc tính nguyên hình gọi là

mô hình hoá, mô hình hoá phải thoả mãn ba điểu kiện tương tự: tương tự về hình dạng tương tự vé động học, tương tự về động lực.

Đôi với tuabin, tương tự động học có nghĩa là yêu cầu sự phân bô vận tốc tại các điểm tương ứng của dòng chảy bên trong phần dẫn dòng của hai tuabin cùng kiểu phải tương tự nhau Điều đó có nghiã là các tam giác vân tốc (vận tốc tuyệt đối, vận tốc tương đối, vận tốc theo) của các điếm đó phải đồng dạng với nhau, tức các trị sô vận tốc phải tỷ lệ:

Trong thực tế thí nghiệm tuabin không thê nào đảm bảo được điều kiện tương tự động lực, ngay cả độ nhám cũng không thể đảm bảo tương tự Vì vậy hiệu suất tuabin thực và mô hình không thể như nhau Thông thường hiệu suất của tuabin thực cao hơn mô hình, độ hiệu chính hiệu suất phụ thuộc vào sự sai khác về đường kính tuabin và cột nước làm việc của tuabin thực và mô hình.

Mối quan ỉìệ giữa cức thông s ố của hai tuabin tương tự

Bài toán đặt ra là có hai tuabin cùng kiểu có đường kính tuabin là D la và D lb, cột nước là

Ha và Hb, góc đặt cánh hướng dòng ơ 0a = a 0b, góc đặt cánh tuabin (pa = ọ b; Hỏi phải phối hợp các thông số na và nb , Qa và Qh , Na và Nb sao cho đảm bảo hai tuabin tương tự

Lời giải như sau: Do hai tuabin tương tự nên

Néu xét den tuabin lám viéc vói cot nuóc H u va H h có hiéu suát thuy lile rjlla, r¡üh, ta có:

gHa'H.la = UI,Vl COSai - U2aV2aCOStt2agHbn.lb u ibv ib c o s a lb - u2bv 2b c o s a 2b

Do: «ib = u la- ^ ; u 2b = u 2D n b

D an aV.b = Vh

D bn b_L_L-yr , ’ v2b

g H britlb n ; " : i "

D ;n ,Chía (2 - 27) vói (2 - 29) ta có:

K jl

H b Db VD.ib

(2 - 27) (2 - 28)

Các cóng thúc (2 - 31), (2 - 32), (2 - 33) duoc goi la luát tuong til va duqc sur dung róng

rái Do tren thilc té tri só' hiéu suát thuy lile thay dói rát ít nén có thé xem r)tla = r\ Ilb.

2.4 DAI LUÜNG QUY DAN

Tuabin nuóc có thé lám viéc trong pham vi cót nuóc, toe dó quay, luu luqng, cóng suát khác nhau vói các có tuabin khác nhau Dé dác trung cho mói kiéu tuabin can phái có các

dai luemg dác trung, quy vé mot diéu kién tiéu chuán nao dó, nhu quy vé D ¡= lm , H = l m

cháng han Các dai luqng quyvé vói diéu dó goi la dai luqng qui dán: Toe dó quay quy vé

diéu kién D ,= l m , H = l m goi la toe dó quay quy dán, ky hiéu n , ; híu luang quy vé diéu kién D ,= lm , H = I m goi la luu luong quy dán, ky hiéu Q'

n 1 VH Q D ; VH

V í dụ: Điểm làm việc lợi nhất của kiểu tuabin thiết kế là n I0 = 69vòng/phút và

Q I0 = 0,89 m 3/s Tìm các thông số n Q, N tại điểm làm việc lợi nhất của tuabin có D|=6,5m

Để tìm hệ số tỷ tốc khi biết N, n, H ta sử dụng các công thức tương tự (2-31 ) và (2-33) :

chế độ làm việc lợi nhất Nếu hai tuabin có cùng công suất, tuabin nào có nx lớn hơn thì D t

bé hơn và n cao hơn, dẫn đến kích thước máy phát điện nhỏ hơn và kích thước của nhà máy cũng giảm, nhưng hệ số khí thực lại lớn hơn

Hiện tại, nhiều nước phương Tây định nghĩa hệ sô' tỷ tốc lù tốc độ quay tuahin khi làm việc ở cột nước H = lm phứt ra cômỉ suất lk W (lk W = l,167m ã lực) Vì vậy, nếu tính hệ số

tỷ tốc theo công thức n^N ^kw ]

I1s" H 5 4

(2-39) thì sẽ nhỏ hơn tri số /7S tính theo công thức(2-37) của Liên bang Nga là 1,167

T h í dụ: Biết công suất làm việc lớn nhất của tuabin tại điểm tính toán (H„ = 30m,

n = 166 7vòng/ph) là NT = 3 7 1 13kW.Tính toán theo công thức (2-37) ta được hệ số tỷ tốc

ns = 533,87vòng/ph, còn tính theo công thức (2-39) thì được n s = 457,47vòng/ph

Trên hình 6-5 là hình dạng và kích thước của các kiểu tuabin cánh quay và tuabin tâm trục có tỷ tốc khác nhau Hệ số tỷ tốc của các kiểu tuabin thể hiện ở các bảng sau:

Câu hỏi ôn tập và bài tập

1 Nguyên lý làm việc của tuabin xung kích? Nguyên lý làm việc của tuabin phản kích?

2 Vẽ véc tơ vận tốc nước tại mép vào và mép ra của prôphin cánh BXCT tuabin chong chóng? Giải thích vì sao khi ở cột nước và lưu lượng khác với chế độ thiết kế thì hiệu suất tuabin giảm?

3 Định nghĩa lưu lượng quy dẫn, tốc độ quay quy dẫn? Công thức tính?

4 Định nghĩa hệ số tỷ tốc? Công thức tính? Quan hệ giữa hình dáng tuabin và tỷ tốc tuabin?

5 Bài tập Xác định hệ số tỷ tốc của tuabin khi cho biết n = 186,7 v/ph; H tl = 32m;

Q „ - 150mVs; r|T - 0,92

C hương 3

BỘ PHẬN DẪN NƯỚC VÀO VÀ RA CỦA TUABIN

3.1 BUỒNG TUABIN

3.1.1 N hiệm vụ của buồng tuabin

Buồng tuabin có nhiệm vụ đưa nước vào bánh xe công tác sau khi đưa nước qua bộ phận hướng dòng Yêu cầu đối với buồng tuabin là:

1 Đảm bảo cung cấp nước vào bộ phận hướng dòng đều khắp chu vi của cánh hướng dòng

2 Tổn thất thuỷ lực trong buồng tuabin, tại trục stato và tại cánh hướng dòng là nhỏ nhất

3 Hình dạng và kích thước buồng tuabin phải phù hợp với điểu kiện lắp đặt khối tổ máy trong nhà máy thuỷ điện

3.1.2 Phân loại buồng tuabin

Các kiểu buồng tuabin thường gặp ở nhà máy thuỷ điện là:

1 Kiểu buồng xoắn: Buồng tuabin có dạng xoắn ốc, làm bằng thép hoặc bêtông, dòng chảy trong buồng tuabin là có áp Đây là buồng tuabin thường gặp nhất ở nhà máy thuý điện (hình 1-10, hình 3-5)

2 Kiểu dòng chảy thẳng: Là loại buồng tuabin kiểu trụ tròn dùng cho tua bin dòng chảy thẳng (hình 1-6)

3 Kiểu buồng hở: Buồng tuabin hở là loại buồng tuabin đơn giản nhất, dòng chảy trong buồng tuabin có mặt thoáng tự do, thường gập ở các trạm thuỷ điện nhỏ cột nước thấp (hình 3-3)

4 Buồng kiểu hộp tròn: Buồng tuabin có dạng hộp tròn đơn giản, thường gặp ở các tuabin nhỏ đặt nằm với cột nước không lớn (hình 3-1 và 3-2)

Hình 3-1 : Buồng TB hộp tròn lắp một BXCT

Hình 3-2 : Buổtnị TB hộp tròn

lắp hai BXCT

Buồng tuabin kiểu hở là loại buồng đơn giản nhất thường dùng ở trạm thuỷ điện nhỏ cột nước thấp H<5m và D, <l,2m Giới hạn cột nước sử dụng là lũm và giới hạn đường kính bánh xe công tác là D, - l,6m Sở dĩ có giới hạn sử dụng trên là vì khi cột nước và đường kính bánh xe công tác lớn thì kích thước của buồng sẽ rất lớn, trục tuabin dài và áp lực nước tác dụng lên thành buồng lớn, kích thước nhà máy tăng lên, kết cấu nhà máy phức tạp, không kinh tế Bởi vậy, loại buồng này chí thích họp với trạm thuỷ điện nhỏ, cột nước thấp Buồng hở có thể làm bằng gỗ, gạch hoặc đá xây hay bằng bêtông, thường có các kiểu sau đây: hở chữ nhật trục đứng, hở chữ nhật trục ngang và hở dạng xoắn ốc.

7 Buồng hở chữ nhật trục đứm>

Buồng hở chữ nhật lắp tuabin trục đứng, có hình dạng kích thước thể hiện ở hình 3-3a.Trên cơ sở phàn tích các điều kiện kinh tế và thử nghiệm các kích thước của buồng tuabin nên lấy như sau:

Chicu rộng của buồng tuabin B = (3 4- 4)Dị

Chiều rộng của buồng tuabin (theo chiều dòng chảy) L = (3 4- 4)D,

Trong đó : D, là đường kính bánh xe còng tác tuabin

Vận tốc nước trung bình trong buồng v0 lấy trong khoảng (0,5 4-1,0) m/s Hợp lý hơn nên lấy theo cột nước tính toán H„

3.1.3 Câu tạo buồng tuabin kiểu hở.

(3-1)

Chiều sâu lớp nước trên nắp tuabin tính theo công thức:

max

(3-5)Trên cơ sở đó hoàn toàn có thể xác định hình dáng, kích thước của buồng xoắn hở (hình 3-3b)

Ở các trạm thủy điện có công suất trung bình và lớn, buồng tuabin xoắn kiểu kín là loại được sử dụng rộng rãi nhất Đối với nhà máy thuỷ điện lắp đặt tuabin phản kích trục đứng, kích thước phần dưới nước của nhà máy và kích thước nhà máy nói chung phụ thuộc vào kích thước của buồng tuabin xoắn.

Buồng tuabin xoắn (gọi tắt là buồng xoắn) có tiết diện ngang (tiết diện đi qua trục tuabin) giảm dần từ tiết diện vào cho đến tiết diện cuối của buồng xoắn (gọi là răng buồng xoắn) Sự chuyển động của chất lỏng trong buồng xoắn trật tự hcm so với các loại buồng tuabin khác, do đó vận tốc trung bình cho phép trong buồng cũng lớn hơn, nên kích thước mặt bằng của buồng xoắn cũng bé hơn, do vậy kích thước mặt bằng của nhà máy thuỷ điện

sẽ giảm đi

Ưu điểm chính của loại buồng xoắn so với buồng chữ nhật hay hộp tròn ở chỗ:

- Điều kiện thuỷ lực tốt, có hiệu suất và khả năng thoát nước tốt

- Có thể dùng với bất kỳ cột nước nào Tuy nhiên nếu cột nước thấp lưu lượng lớn thì nên dùng tuabin dòng chảy thẳng với buồng tuabin kiểu trụ tròn

- Kích thước bé nên giảm được khối lượng xây dựng nhà máy

- Có thê thi công dễ dàng với bất kỳ cột nước nào

Tuỳ theo cột nước tác dụng, buồng xoắn có thể làm bằng bêtông, kim loại hoặc hỗn hợp Hình dạng và tiết diện buồng có dạng chữ T hoặc dạng tròn

1 Buồng xoắn bêtông.

Buồng xoắn bêtông thường dùng cho trạm thuỷ điện cột nước thấp (H < 40m) Khi cột nước lớn hơn 50m buồng xoắn bêtông phải được lót bằng thép tấm dày từ lO-Gómm và được giằng néo chặt vào bêtông đế cùng chịu lực Tiết diện ngang của buồng xoắn bê tông thường có dạng chữ T đê dễ thi công

Góc ôm (pniax trong khoảng 180° 4- 270° Góc ôm cpmax = 135°dùng khi có đường xá lũ qua nhà máy Thường dùng góc ôm (pmax = 180° để giảm kích thước khối tổ máy Khi cột nước càng cao thì nên dùng góc ôm (pmM lớn

Tiết diện chữ T của buồng có thể đối xứng (hình 3-4a ) hoặc không đối xứng (hình 3- 4b,c,d) so với trục bộ phận hướng dòng Các kích thước m,n trên hình 3- 4 quyết định hình dạng tiết diện ngang của buồng xoắn chữ T và được xác định tuỳ theo tình hình cụ thể của kết cấu phần dưới nước nhà máy thuỷ điện cũng như cách bố trí thiết bị phụ trong nhà máy

3.1.4 Cấu tạo buồng tuabin xoán kiểu kín

Xét về phương diện thuỷ lực, buồng xoắn tiết diện chữ T với bất kỳ hình dạng nào trên hình 3-4 đều như nhau Nhưng loại trần bằng (n=0) có nhiều thuận tiện trong viêc bố trí thiết bị phụ và rút ngắn chiều dài trục tổ máy, giảm bớt khối lượng xây dựng phần dưới nước của nhà máy, do cao trình sàn có thể hạ thấp m à giảm bớt được khối lượng bêtông ở khoảng giữa buồng xoắn và ống hút Hơn nữa kiểu trần bằng rất tiện lợi trong thi công Tuy nhiên do đáy buồng hạ thấp có thể ảnh hưởng tới chất lượng độ bền của trần ống hút M ặt khác nếu là nền đá tốt, có thể khối lượng đào m óng tăng lên và đối với nhà m áy thuỷ điện

có mực nước sông ở hạ lưu cao thì kết cấu tường chống lũ hạ lưu càng cao

Loai buồng tuabin cao có tiết diện hướng lên trên (m<n-h) tuy có bất tiện cho việc bố trí các thiết bị phụ nhưng do khoảng cách giữa đáy buồng và trần ống hút rộng rãi nên có thể

bố trí các ống tháo lũ của nhà m áy thuỷ điện kết hợp xả lũ, đặc biệt khi đáy bằng (m = 0).Loại buồng tuabin có tiết diện đối xứng có đáy và trần luôn thay đổi theo góc cp sẽ khó khăn trong thi công

Khi chọn kích thước buồng xoắn chữ T, đặc biệt là khi m = 0 hoặc n = 0 phải chú ý đừng

để buồng hẹp quá Thông thường các kích thước của buồng lấy trong giới hạn sau:

Khi m = 0 hoặc n = 0 : lấy — = 1,5 -ỉ-1,85

Buồng xoắn kim loại được dùng trong trường hợp cột nước lớn hơn 30m, tương ứng với tuabin tâm trục và các loại tuabin trục cột nước cao Buồng xoắn có thể làm bằng tấm kim loại nối tiếp với nhau bằng hàn (khi kích thước buồng tuabin lớn) hoặc đúc thành m ột khối (khi kích thước buồng tuabin bé), bằng gang đúc (khi cột nước thấp), hay bằng thép đúc (khi cột nước cao).

Dạng chung của buồng tuabin bằng gang đúc cho ở hình 3-5a, còn bằng thép tấm hàn lại với nhau cho hình 3-5b

Thông thường hình dạng của đường viền ngoài của buồng xoắn bằng thép hàn trên mặt bằng không phải là đường cong trơn mà là có dạng gãy khúc do điều kiện gia công Tiết diện ngang của buồng kim loại có dạng hình tròn ở các tiết diện gần cuối (ọ < 100°) códạng êlip để thuận tiện cho việc nối tiếp buồng xoắn vào stato (hình 3-5c)

Cấu tạo góc (pmax của buồng xoắn kim loại lấy trong khoảng (pmax = 315°-r360°, thường dùng cp = 345° Cũng như buồng xoắn bêtông, chiều rộng B phụ thuộc vào góc ôm (pma vàvận tốc trung bình tiết diện vào Góc ôm 'tpraax càng lớn và vận tốc v0 càng bé thì chiềurộng buồng B càng lớn và ngược lại Mặc dù vận tốc nước trung bình trong buồng xoắn kim loại lớn hơn trong buồng xoắn bêtông nhiều, nhưng vì góc ôm lớn nên khi có cùng một đường kính bánh xe công tác D, và có cùng khả năng thoát nước thì kích thước (chiều rộng B) của buồng xoắn kim loại vẫn lớn hơn nhiều so với kích thước buồng xoắn bêtông tiết diện chữ T

Cũng như buồng xoắn bêtông, việc lựa chọn kích thước buồng xoắn kim loại phải được dựa trên cơ sở tính toán thuỷ động và so sánh kinh tế các phương án

2 B u ồ n g x o ắ n k im lo ạ i

a) Bâmị gang; h) Bằng thép hàn; c) Tiết diện êlip tại vi trí gân răng buồng xoắn.

3 Buồng xoắn hỗn hợp, buồng xoắn hai nhánh dẫn nước.

Ngày nay, cùng với sự ra đời các tuabin nước cực lớn có đường kính bánh xe công tác lớn và cột nước làm việc cao, đã xuất hiện m ột số loại kết cấu mới của buồng xoăn như buồng xoắn hỗn hợp làm bằng bêtông cốt thép bên trong có áo lót kim loại và loại buồng xoắn có hai nhánh dẫn vào bộ phận hướng dòng Đối với trạm thuỷ điện cột nước tương đối cao và bánh xe công tác lớn, thì việc sử dụng cấu tạo buồng xoắn như cũ sẽ gặp nhiều khó khăn về kỹ thuật thi công, đặc biệt là trong việc hàn các tấm thép dày nên người ta chọn kết cấu buồng xoắn hỗn hợp Loại buồng xoắn này có lớp áo kim loại bên trong và bên ngoài là bêtông cốt thép chịu ứng lực trước để cùng chịu áp lực thuỷ tĩnh

Buồng xoắn hai nhánh dẫn nước thường làm bằng kim loại hàn (hình 3-6) Mỗi nhánh cấp nước cho m ột nửa chu vi của bộ phận hướng dòng nên đảm bảo cho qua m ột nửa lưu lượng tính toán Do đó đường kính mỗi nhánh có thể bé đi nhiều, đồng thời giảm bớt được

độ dày của thành buồng xoắn, khắc phục được khó khăn về kỹ thuật hàn và tạo điều kiện thuận lợi cho việc bố trí cửa lấy nước

<p5.20

<|) 6.20 25.04

Hình 3-6 : Buồng xoắn kim loại có hai nhánh

3.1.5 Tính toán xác định kích thước buồng xoán

Đối với buồng xoắn là loại buồng tuabin được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, có nhiều phương pháp tính toán dựa theo quy luật chuyển động dòng chảy trong buồng tuabin Đó là quy luật m ôm en vận tốc không đổi vur = const, quy luật vận tốc trung bình khống đổi v0 = const, quy luật vận tốc trung bình giảm dần và quy luật hỗn hợp

Khi thiết k ế buồng tuabin cần phải đảm bảo chuyển động chất lỏng là chuyển động thế

và đối xứng qua trục tuabin Tính toán buồng tuabin dựa theo hai điều kiện sau:

1 Lưu lượng phân bô đêu theo chu vi của bô phân hướng dòng, tức thành phần hướng tâm của tất cả các điểm trên chu vi đó phải bằng nhau, xác định theo công thức:

vr = Qt

Trong đó: QT - lưu lượng qua tuabin;

Do» t>0 - đường kính và chiều cao bộ phận hướng dòng

Dựa vào điều kiện trên, ta có thể xác

định lưu lượng đi qua tiết diện ngang

của buồng xoắn ứng với góc (p0 đã xác

định là :

Q<p= Qt(p°

360°

(3-7)

Biết được lưu lượng qua tuabin, ta

xác định được lưu lượng qua tiết diện

vào buồng xoắn với góc ôm q)m.lx Sau đó

dựa vào cột nước tính toán xác định vận

tốc trung bình tại tiết diện vào V0v (hình

3-7), từ đó xác định được kích thước tiết

diện vào Fv theo dạng tiết diện buồng

xoắn lựa chọn (xem hình 3-4 và các

bảng 3-1,6-1,6-2)

5 6 7 8 910 15 20 25 30354050 60 7 0 80 1 01215220 300

Hình 3-7: Đồ thị xác định vận tốc tại tiết diện

vào buồn i> xoắn Y(h - H„

2 Điều kiện thứ hai để xác định kích thước tiết diện ngang và hình dạng buồng xoắn đó

là quy luật chuyển động chất lỏng trong buồng tuabin

Ví dụ, dùng quy luật vận tốc trung bình, tức vận tốc nước trong buồng không đổi v0 = const đê tính toán buồng xoắn bêtông tiết diện chữ T theo thứ tự sau:

Bước đầu tiên để xác định vận tốc tại tiết diện vào, hình dáng và diện tích tiết diện vào dựa vào các công thức nêu trong điều kiện 1 Sau khi đã vẽ được tiết diện vào của buồng tuabin, ta tiếp tục xác dịnh diện tích các tiết diện tiếp theo bằng cách xác định quy luật biến đối hình dạng tiết diện (hình 3-8a) từ đó lập bảng 3-2

Dựa vào bảng 3 -2 lập đường cong quan hệ F = f(R) với trục hoành là R, trục tung là (p (hình 3-8b) Lấy phần trái trục hoành làm trục góc ôm (p Góc ôm (pmax nằm tại gốc toạ độ

Vẽ đường quan hệ cp = f(F) Vì vận tốc trung bình ở các tiết diện như nhau v0 = const nên đường quan hệ ọ = f(F) là đường thẳng đi qua điểm cp = 0, F = 0 và điểm cp = q>max, (p =FV.Cho một trị số cp° (thông thường cách nhau một góc bằng 45°) và dùng các đường (p = f(F),

F = f(R) để xác định ra hình dạng mặt bằng và tiết diện của buồng xoắn bêtông tiết diện chữ T (hình 3-8)

Đ ối với buồng xoắn tiết diện tròn, tính theo

quy luật v0 = const rất đcm giản Trị số bán kính

p của tiết diện buồng ở tất cả các vị trí khác

nhau của góc cpị được xác định theo công thức :

,Bằng cách cho trị số (p| ta tính được lưu lượng

tương ứng với nó là Qj và bán kính tiết diện P i,

từ đó xác định hình dáng m ặt bằng buồng xoắn

theo quan hệ R =2p+ ra

Hình dáng kích thước buồng xoắn tiết diện

chữ T cho các loại tuabin cánh quay CQ10, CQ25,

CQ20, CQ30, CQ40 với góc ôm (pmax = 180° cho

chữ T theo quy luật v„ ~ const.

Hình dáng kích thước buồng xoắn tiết diện

tròn góc ôm (p max = 345° cho ở bảng 3-3 và hình 3-10

901

góc ôm ẹ =180° và trần bằng, của tuabin tiết diện tròn, góc ôm <pmm = 345°

cánh quay với H<40m

Để thấy rõ tác dụng của ống hút ta xem xét 3 trường hợp có tính nguyên tắc sau:

- Tuabin làm việc không có ống hút (hình 3-1 la),

- Tua bin làm việc với ống hút hình trụ (hình 3-1 lb),

- Tuabin làm việc với ống hút hình nón cụt (hình 3-1 lc)

Hình 3-11: Sơ đồ giải thích sựìàm việc của ống hút

Giả thiết rằng trong 3 trường hợp trên, lưu lượng trong tuabin đều như nhau Ta xét từng trường hợp cụ thể:

1 Tuabin lùm việc không có ống hút.

Trong trường hợp này, áp lực nước ngay sau bánh xe công tác tại tiết diện 2-2 (cũng tướng ứng với tiết diện vào của ống hút 3-3) sẽ bằng áp lực khí trời p3 = pa Năng lượng đơn

vị (tỷ năng) của nước mà tua bin chuyển hoá thành cơ năng là:

2

Ha = E0 - E3a = Hq - ( z , - ^ ) (3-10)

2g

2 Tnahin làm việc với Ống hút hình trụ.

Tỷ năng của nước sau bánh xe công tác trong trường hợp này xác định như sau:

3 Tuahin làm việc với ống hút hình nón cụt.

Xác định áp lực nước tại mép ra của bánh xe công tác dựa theo phương trình Becnuli:

Khi dùng ống hút hình trụ (trường họp b) thì cột nước sử dụng tăng thêm so với trường họp không có ống hút (trường hợp a) là:

(3-15) AH„, = H„ - H„ = (H0 - + 2 > nb)- (H„ - z, - ^ ) = z , - X Ah „„

Tuy nhiên, độ chân không ở mặt sau bánh xe công tác bị hạn chế bởi điều kiện xảy ra khí thực tuabin mà ta sẽ đề cập đến ở chương sau

Muốn lợi dụng tối đa năng lượng còn lại sau bánh xe công tác phải giảm tối đa vận tốc nước tại mặt cắt ra của ống hút và tổn thất cột nước trong đoạn ống hút theo khả năng cho phép Tổn thất cột nước trong ống hút bao gồm tổn thất do ma sát giữa nước và thành ống hút và tổn thất do dòng chảy xoáy trong ống hút Tổn thất do dòng chảy xoáy lớn hơn nhiều

so với tổn thất do ma sát với thành ống Hiện tượng xoáy nước càng tăng khi góc loe càng lớn Nếu góc loe quá lớn (9 > 10V 12°) thì sẽ xảy ra hiện tượng tách dòng Xoáy nước càng tăng thì chảy rối càng mạnh, tổn thất thuỷ lực càng lớn Khi uốn cong ống hút thì phân bố vận tốc không đều tăng lên làm dòng chảy xáo trộn, làm tăng thêm tổn thất do chảy rối (hệ

số Cơriôlit lớn)

Từ những phân tích về tác dụng của ống hút nói trên cho thấy nhiệm vụ của ống hút là:

- Dẫn nước từ bánh xe công tác tuabin xuống hạ lưu với ít tổn thất thuỷ lực nhất

- Sử dụng được phần lớn động năng còn lại của nước sau khi ra khỏi bánh xe công tác

- Khi đặt bánh xe công tác cao hơn mực nước hạ lưu để tiện sửa chữa và giảm bớt khối lượng của nhà máy thuỷ điện, nhờ có ống hút mà phần cột nước từ bánh xe công tác đến mực nước hạ lưu được sử dụng

Để có thể tận dụng được phần lớn động năng dòng chảy còn lại sau khi ra khỏi bánh xe công tác, ống hút phải có dạng loe dần Phần động năng này lớn hay bé tuỳ thuộc vào kiểu