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.[r]
Trang 13 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
Trang 2TRƯỜNG 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
Trang 3LỜI 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
Trang 4Phần I
T U A B I N N Ư Ớ C
Chương 1
KHÁI NIỆM CHƯNG
1.1 MÁY THỦY LỤC
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
Trang 5Thiết 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:
H = E ,-Et = ( Z i + ^ + ^ ỉ ) - ( Z 2 + ^ + ^ ỉ )
= (Z 1 + B r + ^ i ) - ( z l + i i +
Y 2g H , ^ + ^ i - A h 2)Y 2g
H , - h 11+^ - a ^ + Ah2
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
Do V, Ä v 2 nên
V í dụ: Ht =18m, v0= 0,2 m/s, V, = 1,6 m/s,v2= 2,8 m/s, htl = 0,6 m, Ah2 = 0,16 m, a , * a 2
~ 1> nếu tính gần đúng theo (1-2) thì ta được H « 18m - 0,6m = 17,4m, còn tính toán chính xác theo (1-1) thì ta được H = 18 - 0,6 + 0,22/19,6 - 2,82/19,6 + 0,16 = 17,16m N hư vậy ở đây sai số là (17,4-17,16)/17,16 « 1,5%
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:
Trang 6Nt=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
Trang 71.3 CÁC LOẠI TUABÍN NƯỚC HIỆN ĐẠI
1.3.1 Các dạng tác động của dòng nước
Theo định luật Becnuly thì năng lượng của m ột đơn vị chất lỏng tại m ột tiết diện nào đó được xác định theo phương trình:
Y 2g
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)
tác động lên BXCT càng nhiều Trường hợp BXCT chỉ chuyên hoá phần động năng, tức là
khi z , + - L = z 2 + — , thì loại tuabin đó là loại xung kích hoàn toàn; còn khi chí sử dung
phần thế năng, tức là khi ~ thì tuabin đó là loai phản kích hoàn toàn
2g 2g
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
Trang 8Tuỳ 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 hướng trục.
- Tuabin tâm trục (còn gọi là tuabin Francis) thường gặp ở các TTĐ có cột nước trung bình và tương đối cao Đề xuất mẫu tuabin này là kỹ sư Francis người Mỹ (1855) Tuabin
tâm trục được sử dụng ở cột nước H = 40^-700m với tua bin lớn hay H = 2-f-200m với tua bin nhỏ Đường kính BXCT lớn nhất là ở TTĐ Grend Culi (Mỹ) có D, = 9,5m, công suất tố máy Nt = 700Mw, h = 87m
- 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
Trang 9đứng 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
Trang 10ở 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
lắp vào vành.
Hình 1-6: Tổ máy ì ắp đặt
tuabin cáp xun (Bulb turbine).
1 BXCT; 2 Cánh hướng dòng;
3 Stato TB; 4 Cáp xun; 5 Lối
vào; 6 Trụ đỡ; 7 Nhận dầu;
8 Rồto MPĐ; 9 Thanh kéo;
10 Vành điều chỉnh BPHD; 11 ô
đỡ; 12 Ổ hướng; 13 v ỏ BXCT