Giáo trình Tuabin thuỷ lực: Phần 2

Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Tuabin thuỷ lực: Phần 2 cung cấp cho người học những kiến thức như: Thí nghiệm mô hình và đường đặc tính tuabin; Chọn kiểu loại và các thông số cơ bản của tuabin; Điều chỉnh turbin nước;...Mời các bạn cùng tham khảo!

CHƯƠNG 6: THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VÀ ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH TUABIN 6.1 Ý nghĩa và nhiệm vụ của thí nghiệm mô hình

Mặc dù các phương pháp tính toán thủy lực thường dùng hiện nay để thiết kế tuabin không ngừng được bổ sung và hoàn thiện nhưng muốn thu được một cách đầy đủ các đặc tính của tuabin phai thông qua thí nghiệm Phương ơháp tính toán thủy lực theo lý thuyết chỉ cho phép nghiên cứu và đề xuất ra một số phương án hình dạng phần nước qua của các tuabin Còn việc phân tích, so sánh và chọn phương án tối ưu trong số các phương án nói trên chỉ thực hiện được trên cơ sở các kết quả số liệu của thí nghiệm mô hình Nhờ kết quả của các thí nghiệm này có thể chỉnh lí thành các đường đặc tính mô hình, từ đó xây dựng thành các đường đặc tính khác của tuabin thực tế

Thí nghiệm tuabin có thể được tiến hành trong phòng thí nghiệm hay ngoài hiện trường Thí nghiệm tuabin ở ngoài hiện trường tuy có thể phản ánh đúng tình hình làm việc thực tế của tuabin nhưng chi phí thí nghiệm tốn kém và không thể nghiên cứu đầy

đủ các điều kiện làm việc có thể có của tuabin Thí nghiệm mô hình chia ra hai loại: thí nghiệm năng lượng và thí nghiệm khí thực Thí nghiệm đầu dùng để xác định hiệu suất của tuabin khi tuabin chưa bị khí thực, còn thí nghiệm sau dùng để xác định hệ số khí thực của tuabin Thiết bị thí nghiệm năng lượng thường được tiến hành với các mẫu có đường kính D1M = 250(180) ÷ 400(800)mm còn thí nghiệm khí thực thì D1M bé hơn

D1M = 250 ÷ 350mm

6.2 Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm

Hình 6.1: Sơ đồ nguyên lí thí nghiệm năng lượng của tuabin phản kích

Hình 6.1 là sơ đồ nguyên lí giá thí nghiệm năng lượng Sơ đồ này gồm có bể thượng lưu 1, hạ lưu 2, bể chứa 3 và máy bơm 4 Mẫu thí nghiệm được lắp giữa hai bể nói trên, ở đây cần đảm bảo các điều kiện tương tự về hình học của buồng tuabin và ống

hút Khi làm việc, nước từ bể 1 chảy qua tuabin vào bể hạ lưu 2, ở đây lưu lượng Q được đo bằng đập tràn thành mỏng tam giác vuông 6 Sau khi qua khỏi đập tràn, nước chảy về bể chứa 3 và từ đó nước được máy bơm bơm vào bể thượng lưu 1 theo một hệ thống cấp nước tuần hoàn.Máng tràn 7 lắp trong bể 1 có tác dụng duy trì mức nước trong bể 1 không thay đổi, lượng nước thừa ra trong bể này sẽ được tháo về bể chứa 3 Lưới ổn định 7 có nhiệm vụ ổn định dòng nước trước khi chảy vào tuabin, còn lưới ổn định 9 thì có tác dụng làm lặng nước để đo lưu lượng qua đập tràn thành mỏng mà bằng phương pháp thể tích (thùng đong) sẽ bảo đảm đo lưu lượng với độ chính xác cao hơn Cột nước thí nghiệm ở giá này có thể thay đổi từ 2÷5m

Khi làm thí nghiệm cần đo các đại lượng chính sau đây:

Lưu lượng Q chảy qua tuabin được xác định theo mchiều cao lớp nước trên đỉnh của đập tràn tam giác vuông hQ Biết trị số hQ có thể xác định lưu lượng Q theo các công thức kinh nnghiệm sau đây:

Q=1,343hQ2,47,(l/s) (4-1) Hoặc dùng công thức đơn giản hơn:

Q=1,4 hQ2,5,(l/s) (4-2) Trong đó:hQ- chiều cao mlớp nước trên đỉnh đập(m)

Cột nước làm việc H được đo bằng ống đo áp 10 và 11 Như vậy cột nước h ở đây đựoc tính bằng hiệu số cao trình mực nước trong bể 1 và 2 và bỏ qua tổn thất cột nước tổn thất trong đường dẫn tính từ bể 1 đến cửa vào buồng tuabin Nếu dẫn nước vào tuabinbằng ống áp lực có chiều dài khá lớn thì phải tính thêm trị số tổn thất cột nước trong đường dẫn nữa

Số vòng quay n trên tuabin có thể đo bằng vòng quay kế(vg/ph) kiểu li tâm hoặc máy đếm số vòng quay bằng điện

Mô men xoắn trên trục tuabin được đo bằng bộ hãm kiểu ma sát hình (6.2)

Mô men xoắn M trên trục tuabin được xác định theo công thức sau:

Trong đó:

P - trọng lượng quả cân(N);

l - cánh tay đòn của bộ hãm, bằng khoảng cách từ điểm đặt quả cân trục tuabin

Thí nghiệm được tiến hành với các trị số độ mở của bộ phận hướng nước ao Độ mở

đó được tính bằng khoảng cách nhỏ nhất giữa hai cánh hướng nước kế tiếp nhau (tuabin phản kích) hoặc số phần của hành tình lớn nhất của van kim(s) (đối với tuabin gáo)(hình6.3)

Với mỗi độ mở ao cho tước,ta làm thí nghiệm với 6÷8 trị số phụ tải khác nhau (thay đổi lực ma sát của má phanh bộ hãm)

Ta sẽ được 6÷8 điểm ứng với các trị số vòng quay n khác nhau ỉng với các trị số phụ tải đã chọn (trọng lượng quả cân), dùng các thiết bị đo lường kể trên có thể đo được lưu lượng Q, số vòng quay trục tuabinn, và cột nước làm việc H (nếu trong suốt quá trình thí ghiệm H không đổi thì không cần phải đo thông số này) rồi tính ra các thông số quy dẫn theo các công thức (4-4) và (4-5)

Số vòng quay quy dẫn:

=

I '

Q

HD

nl

PQH

MN

ω

Ở đây: N = M - công suất hữu ích của tuabin ω

Nn = γ QH - công suất tiêu hao(công suất dòng nước)

K1 = H

D1 = cosnt; K3 =

H30

l

Pγ

π = const

Các số liệu đo được trong khi làm thí nghiệm và kết quả tính toán thường được ghi thành các bảng biểu (bảng6.1)

Sau đây nghiên cứu các dạng đường đặc tính và cách vẽ dạng đường đó

Số liệu đo được Kết quả tính đổi

Q

Số vòng quay

n

Số vòng quay quy dẫn

I 'I

n

Lưu lượng quy dẫn

I 'Q

Công suất hữu ích

N

CS tiêu hao

Nn

Hiệu suất η%

nm-1

nm

1

I 'n

2

I 'n

3

I 'n

1 Im '

n − Im '

n

1 I 'Q2 I 'Q3 I 'Q

1

− m I '

Q m I 'Q

Q1

Q2

Q3

)n,H,a,D(f

)n,H,a,D(fQ

)n,H,a,D(fN

o s

o o o

1 4

1 3

1 2

1 1

ηĐối với tuabin cánh quay và chéo trục, quan hệ đó có dạng sau đây:

)n,H,,a,D(f

)n,H,,a,D(fQ

)n,H,,a,D(fN

o s

o o o

ϕ

ϕη

ϕϕ

1 4

1 3

1 2

1 1

Như vậy hệ tuabin trên có 4 biến số độc lập, còn hệ tuabin sau có 5 biến số độc lập(thêm ϕ-góc đặt của cánh BXCT).Góc ϕ=0 ứng với chế độ tính toán của tuabin, từ

đó nếu cánh quay theo chiều kim đồng hồ thì ϕ>0, còn nếu theo chiều ngược kim đồng hồ thì ϕ<0(hình6.4)

Các quan hệ cụ thể nói trên gọi là đặc tính tuabin và nó thường được biểu thị dưới dạng đồ thị đường cong gọi là đường đặc tínhtuabin

Tuỳ theo số biến số độc lập có trong mỗi quan hệ hàm số người ta chia ra hai loại đường đặc tính: đường đặc tính tuyến tính và đường đặc tính tổng hợp

6.3.1 Đường đặc tính tuyến tính

Đường cong chỉ sự liên hệ giữa hai thông số của tuabin, còn có các thông số khác coi như không đổi, gọi là đường đặc tính tuyến tính của tuabin Đối với tuabin điều chỉnh đơn(tâm trục, cánh quạt) thì các thông soó khác không đổi gồm có 3 biến số, còn đối với tuabin điều chỉnh kép(cánh quay,chéo trục) thì gồm 4 biến số.Các dạng cơ bản của đường đặc tính tuyến tính của tuabin cho ở hình(6.5) Trong đó, hình(6.5a) là đường đặc tính tuyến tính cột nước η, N = f(H) chỉ sự liên hệ giữa hiệu suất(hoặc công suất) với cột nước làm việc của tuabin khi đường kính nước làm việc của tuabin khi đường kính D1; độ mở a0 và số vòng quay n không đổi; hình(6.5b) là đường đặc tính tuyến tính số vòng quay chỉ sự liên hệ giữa công suất(hiệu suất v.v ) với số vòng quay khi D1, a0, H không đổi; hình(6.5c) là đường đặc tính tuyến tính lưu lượng η, N,

a0=f(Q) chịư liên hệ giữa hiệu suất (hoặcN, a0) với lưu lượng tuabin khi D1,n,H=const; còn hình (6.5d) là đường đặc tính tuyến tính công suất(còn gọi là đường đặc tính công tác ) chỉ sự liên hệ giữa hiệu suất, độ mở a0 và các thông số khác với công suất tuabin khi D1, n, H=const

Như vậy, tên của đường đặc tính tuyến tính được gọi theo tên của biến số độc lập, chẳng hạn để dơn giản gọi đường η=f(H) là đường đặc tính cột nước(H là biến số độc lập)

Các đường đặc tính tuyến tính có cấu tạo đơn giản và dễ thấy, nhưng chúng không thể phản ánh đầy đủ tính chất của tuabin Chẳng hạn dùng đường đặc tính η=f(N) ta chỉ thấy được quan hệ giữa hiệu suất với công suất tuabin Nếu muốn biết hiệu suất thayđổi ra sao khi tuabin làm việc với các trị số cột nước H khác nhau thì ta phải có một loại đường đặc tính tuyến tính nói trên được xây dựng với nhiều trị số cột nước H khác nhau

Muốn biểu thị đầy đủ tính chất của tuabin phải sử dụng đường đặc tính tổng hợp

6.3.2 Đường đặc tính tổng hợp

Đường cong chỉ sự liên hệ giữa các thông số riêng biệt của tuabin với hai biến số độc lập gọi là đường đặc tính tổng hợp Như vậy, muốn vẽ đường này cần cho trước hai biến số độc lập (đối với tuabin điều chỉnh đơn) Trong thực tế tồn tại một số dạng đường đặc tính tổng hợp sau đây: đường đặc tính tổng hợp chính và đường dặc tính tổng hợp vận hành

Phần 1 ta đã xét các đường đặc tính đơn, biểu thị quan hệ giữa từng cặp thông số với nhau khi các thông số khác là hằng số Trong thực tế sử dụng tuabin nước ở một chế

độ có rất nhiều thông số a, ϕ, H, Q, N, n, σ Vì vậy đường dặc tính đơn không thể biểu thị quan hệ cùng một lúc của nhiều thông số nên trong tuabin nước thường sử dụng rộng rãi đường đặc tính tổng hợp Do là đường đặc tính cùng một lúc có hai loại đường đặc tính tổng hợp

- Đường đồng hiệu suất: η= (n1' ,Q'1)

- Đường đồng độ mở rộng: a0 = ( n1' , Q'1 )

- Đường đồnghệ số xâm thực σ = (n1' ,Q'1)

- Đường giới hạn công suất 5% tuabin tâm trục

- Đường đồng góc đặt cánh đối với tuabin cánh quay

H-6.6 - đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin tâm trục D1M = 460mm

H-6.7 - đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin cánh quay D1M = 460mm

H -6.7 - đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin gáo

Đường đặc tính này được xây dựng từ kết quả thực nghiệm tuabin mô hình trong phòng thí nghiệm Đặc tính này là lý lịch của tuabin mô hình và qua nó đánh giá khả năng làm việc và chất lượng của tuabin mô hình Nó là tài liệu gốc để chọn tuabin, chọn chế độ làm việc cho tuabin thực trên trạm

So sánh đặc tính tổng hợp chủ yếu của ba loại tuabin chúng ta thấy:Hình dáng của chúng đại thể giống nhau nhưng phạm vi trên giấy toạ độ thì khác nhau, trị số toạ độ của điểm hiệu suất cao nhất cũng khác nhau

1 1 ' 'Q,n1

- Đường đặc tính của tuabin gáo bao gồm đường ηvà đường a0 (d0) không có đường

σ , đường đặc tính của tuabin xuyên tâm hướng trục bao gồm đường η, đường a0, đườngσ và đường ϕ không có đường hạn chế 5%N

- Tuabin gáo có cột nước cao, lưu lượng nhỏ trị số toạ độ của điểm hiệu suất cao nhất là nhỏ nhất vị trí toàn bộ đường đặc tính chiếm cũng rất nhỏ hình hẹp và dài Tuabin cánh quay có cột nước thấp, lưu lượng lớn nên trị số của điểm hiệu suất cao nhất là lớn nhất Vị trí toàn bộ đường đặc tính chiếm cũng lớn nhất, hình rổng và dẹt còn của tuabin tâm trục ở giữa hai trường hợp đó (H-6-9)

b Đường đặc tính tổng hợp vận hành

Đường đặc tính tổng hợp vận hành là dường đặc tính tổng hợp của tabin thực làm việc ở nhà máy thuỷ điện Nó là đường biểu diễn các đường cong:

- Đường đồng hiệu suất η=f(N<H)

- Đường đồng chiều cao hút Hs=f(N, H)

- Đường giới hạn công suất theo máy phát và tuabin khi đường kính bánh xe công tác D1 và tốc độ quay n của tuabin là hằng số Trong hệ toạ độ N,H Đường đặc

tính này giúp cho người vận hành xác định các chế đọ làm việc của tuabin, xác định các thông số tại cac chế độ đang làm việc Đường đặc tính này cho phép xác định khả năng phát ra công suất của tuabin, giúp cho người làm việc ở bộ phận điều độ của lưới điện phân phối phụ tải cho các tổ máy Ngoài ra đường đặc tính vận hành còn là số liệu quan trọng so sánh về năng lượng và khả năng chống xâm thực tuabin khi chọn loại tuabin, đường kính và số vòng quay của tuabin

Về hình dạng bề ngoài thì đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin tâm trục và hướng trục là giống nhau nhưng phạm vi của H và N là khác nhau H của tuabin tâm trục tương đối lớn còn H của tuabin cánh quay tương đối nhỏ thêm nữa đường hạn chế công suất của hai loại tuabin về tính chất cũng có khác nhau Đường hạn chế N của tuabin tâm trục chỉ đường hạn chế công suất 5%N, còn đường hạn chế công suất của tuabin cánh quay là chỉ đường hạn chế công suất của độ mở lớn nhất cánh hướng nước khi cột nướclà Htt

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

1

'

Q,n

6.4.2 Đường đặc tính công tác

Đường dặc tính công tác η=f(N) của tuabin thực dược tính đổi từ đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin mô hình Khi hình thức tuabin khác nhau thì hình dạng đường đặc tính công tác của chúng cũng khác nhau

a- Kiểu gáo: Hiệu suất cao nhất của tuabin gáo tương đối thấp nhưng khu vực hiệu suất cao tương đối rộng (hình 6.6a)

b- Kiểu tâm trục và cánh quạt: Đường đặc tính công tác của tuabin tâm trục có đường hạn chế công suất 5%N (hình 6.6b) Khi Q tăng lên đồng thời lúc đầu hiệu suất tăng lên rất nhanh sau đó bắt đầu hạ xuống Khi N đạt tới Nmax thì Q đạt tới trị số nhất định Nếu Q tiếp tục tăng thì N giảm đi hình thành khu vực móc câu ở cuối đường đặc tính công tác Nguyên nhân là do ảnh hưởng của hiệu suất hạ thấp thắng được ảnh hưởng của Q tăng lên Rõ ràng là trong trường hợp này Q lớn hay nhỏ đều phát ra công suất như nhau Trong vận hành không nên để cho tuabin làm việc trong điều kiện lưu lượng bất lợi Phạm vi làm việc bất lợi đoạn cuối đường đặc tính chiếm khoảng

5%Nmax cho nên vẽ một đường ở khu vực móc câu cuối đường đặc tính công tác gọi là đường hạn chế 5%N

Đường dặc tính công tác của tuabin cánh quạt thì khu vực hiệu suất cao nhất rất hẹp đoạn cuối cùng có khu vực móc câu nên thường vẽ đường hạn chế 3%N

c- Kiểu cánh quay: Khi góc quay ϕ cố định, đường đặc tính công tác của tuabin cánh quay giống như tuabin cánh quạt Khi góc quay ϕ thay đổi đường đặc tính công tác của tuabin cánh quay sẽ là đường bao ngoài của các góc quay Khu vực hiệu suất cao nhất của đường đặc tính công tác rất rộng Chỉ khi góc quay ϕ và độ mở a0 rất lớn hay nói cách khác là lưu lượng rất lớn thì N mới bắt đầu hạ xuống Tuabin cánh quay thường không cho phép vận hành trong trường hợp như vậy bởi vì bị hạn chế bởi điều kiện khí thực, cho nên trên đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin cánh quay đều không vẽ đường hạn chế công suất

d- Nhận xét: Ta thấy:

- ηmax của tuabin gáo thấp nhất

- ηmax của tuabin tâm trục cao nhất, tỷ tốc càng cao thì đỉnh đường biẻu diễn càng bằng

- Tuabin cánh quay vì cánh tuabin quay được cho nên khu vực hiệu suất cao tương đối rộng còn kiểu cánh quạt thì không có ưu điểm đó

- Điểm công suất lớn nhất của tất cả các đường không phải là chỗ hiệu suất cao nhất nên thường cố gẳng sao cho turbi không phải làm việc trong trường hợp đầy tải

6.4.3 Đường đặc tính tổng hợp vận hành

Đường đặc tính tổng hợp vận hành là đường đặc tính tổng hợp của tuabin thực làm việc ở nhà máy thuỷ điện Nó là đường biểu diễn đường cong

- Đường đồng hiệu suất η=f(N,H)

- Đường đồng chiều cao hút Hs = f(N,H)

- Đường giới hạn công suất theo máy phát & tuabin

Khi đường kính bánh xe công tác D1 và tốc độ quay n của tuabin là hằng số trong hệ toạ độ N, H Đường đặc tính này giúp cho người vận hành xác định các chế

độ làm việc của tuabin, xác định các thông số tại các chế độ làm việc Đường đặc tính này cho phép xác định khả năng phát ra công suất của tuabin, giúp cho người làm việc

ở bộ phận điều độ của lưới điện phân phối phụ tải cho các tổ máy Ngoài ra đường đặc tính vận hành còn là số liệu quan trọng so sánh vê năng lượng và khả năng chống xâm thực tuabin khi chọn loại tuabin, đường kính và số vòng quay của tuabin

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

Nội dung xây dựng đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin đã chọn bao gồm:

- Tính đổi đường quan hệ hiệu suất

- Tính đổi đường hạn chế công suất

- Tính đổi đường đồng độ cao hút Hs

6.5.1 Tính đổi đường quan hệ hiệu suất

a) Mục đích: Tính đổi đường ( , ')

1

'

1 Q n f

=

η thành η = f (N ) và η = f ( N , H )b) Nguyên tắc:

' 181,

M

T M

Mỗi góc quay ử trên đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin cánh quay có một hiệu suất ηMmax do đó mỗi góc ϕ phải tìm được một Δηφ Tính toán như bảng dưới đây

' 1

M

T M n n

) (

' 1

'

) (

Q

(2)

ηT (3)

NT

Bảng 6.3: Tính toán đối với tuabin cánh quay

) (

' 1

' 1

Q

(4)

ηT(5)

Hình 6.12: Đường đặc tính công tác của tuabin tâm trục

với nhãn hiệu PO75/702-B550, n=107,1v/ph

c) Vẽ đường đặc tính vận hành trên hệ toạ độ N, H

Cắt các đường đặc tính công tác η = f(H) bằng một số đường ngang η = const cách nhau khoảng 1% Dời các điểm đó lên hệ tạo độ (N,H) và nối chúng lại thành đường cong trơn ta được đường đồng hiệu suất η = f(N,H)

của mỗi đường η (đường H = const

tiếp xúc với đường η = const)

Hình 6.13: Đường cong bổ trợ ηmax = f(H)

6.5.2 Tính đổi đường hạn chế công suất

Đường hạn chế công suất ABC chia ĐĐTTHVH ra hai phần: phía bên trái của đường ABC là vùng làm việc, còn phía bên phaỉ - vùng không lamg việc Đoạn thẳng đứng AB tính từ cột nước tính toán Htt đến cột nước lớn nhất Hmax (điểm A), ở đoạn này công suất của tuabin bị hạn chế bởi công suất định mức của máy phát điện đã chọn Chẳng hạn ở hình vẽ (hình 6.14) công suất lớn nhất của tuabin tương ứng với công suất định mức của máy phát điện bằng 180000kW Đường nghiêng BC, tính từ

Htt đến Hmin, công suất bị hạn chế bởi công suất của bản thân tuabin Cột nước tương ứng với điểm B là cột nước tính toán Đó là cột nước nhỏ nhất để đảm bảo tuabin phát

đủ công suất định mức Khi cột nước H < Htt thì vì hiệu suất giảm đột ngột nên công suất tuabin giảm nhỏ Khi cột nước tương đối lớn (H > Htt), tuabin có khả năng phát được công suất tương đối lớn nhưng bị hạn chế bởi công suất giới hạn của máy phát điện, hoặc xét theo quan điểm độ bền nó cũng có thể bị hạn chế bởi kích thước (không đủ) của một bộ phận nào đó của tuabin

Hình 6.14: Đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin

Đường hạn chế công suất phụ thuộc vào hệ tuabin, cách vẽ như sau:

Đối với tuabin tâm trục:

Đoạn nghiêng BC của đường hạn chế công suất được xác định theo đường đồng độ

mở tới hạn của bộ phận hướng nước aomax = const Nói chung ở hệ tuabin tâm trục và tuabin cánh quạt, đường aomax là đường hạn chế độ mở lớn nhất cho phép của tuabin Khi tuabin làm việc, độ mở ao của BPHN không thể vượt quá trị số aomax này Do đó, đường aomax = const ở các hệ tuabin nói trên sẽ trùng với đường dự trữ công suất 5% vẽ trên Đ ĐTTHC của mẫu

Như vậy toạ độ điểm B của đường nghiêng BC đã biết B(Htt, Ntt) Công việc còn lại

là tìm toạ độ điểm C Muốn thế, ta tìm trị số công suất của tuabin ứng với H = Hmin Tính trị số ( )

max

1 max

' IT

H

nD

I max

' IT max

'

n = −Δ Như vậy ta sẽ tìm được trị

số ' (m3/s) (tại giao điểm của đường thẳng ngang

I

IM = với đường aomax

= const hoặc với đường dự trữ công suất 5%) Sau đó tính trị số công suất của tuabin ứng với Hmin: = ' min minη

I 2 1

N (kw) Nối hai điểm có toạ độ B(Htt, Ntt)

và C(Hmin, Nmin) ta được đoạn BC của đường hạn chế công suất của tuabin (hình 6.10)

Đối với tuabin cánh quay:

Cũng giống như tuabin tâm trục khi H > Htt đường hạn chế công suất là đường thẳng góc do công suất của một máy phát điện quyết định còn khi H < Htt thì đường hạn chế công suất của tuabin bị han chế bởi độ mở lớn nhất aomax và được được tiến hành theo các bước sau:

+ Trên đường đặc tính vận hành η = f(N, H) từ điểm A (giao điểm của đường công suất lớn nhất của máy phát điện và Htt) ta xác định được ηTA

Tính

tt

1 '

' IA

H D 81 , 9

N Q

η

=

+ Trên đường đặc tính tổng hợp chủ yếu ( ' )

I '

I,Qnf

=η

- Vẽ điểm A’(n'IA, '

IA

Q ) xác định được được aomaxcủa điểm A’

- Xác định điểm B’ là giao điểm của đường 'IH

B 9,81Q D H

- Dịch điểm B (Hmin, NB) trên đường η = f(N, H)

+ Nối A-B ta được đường hạn chế của tuabin A-B

6.5.3 Vẽ đường đồng chiều cao hút Hs

a) Mục đích:

Tính đổi đường đồng hệ số khí thực ( ' )

I '

I,Qnf

ID HQ81,9N

90010

Các bước:

- Tính n'IM tương ứng với các H đã cho

- Từ giao điểm của các đường thẳng ngang n' const

IM = trên đường đặc tính tổng hợp chính với đường η = const (đối với tuabin tâm trục) hoặc với đường ϕ = const (đối với tuabin cánh quay) ta xác định được σ và '

I

Q của mỗi điểm

- Lập bảng tính toán Hs = f(N) với H là thông số:

σ

(1)

' IQ

(2)

N (3)

Δσ (4)

Hs(5)

Căn cứ vào cột (3) và cột (5) vẽ đường Hs = f(N) tương ứng với các H

4 Đường đặc tính tổng hợp vận hành

Đường tổng hợp vận hành hoàn chỉnh phải bao gồm 3 loại đường sau đây:

Đường đồng hiệu suất η = f(N, H), đường đồng độ cao hút Hs = f(N, H) và đường hạn chế công suất của tổ máy

6.6 Các đường đặc tính của trạm thủy điện

Trong thực tế thường dùng các đường đặc tính của TTĐ sau đây: đường đặc tính công tác tổ máy η = f(N); đường đặc tính công tác của nhóm tuabin và của nhóm tổ máy (hay của TTĐ); đường đặc tính công tác công suất (hay lưu lượng) vận hành của tuabin của nhóm tổ máy và của TTĐ; đường đặc tính tổng hợp vận hành của tổ máy và của TTĐ

- Đường đặc tính công tác tổ máy ηtm = f(N) biểu thị sự liên hệ giữa hiệu suất tổ máy và phụ tải tổ máy khi D1 = const, n = const và H = const Đó là tổ hợp của hai đường đặc tính công tác của tuabin và máy phát điện Dạng và cách vẽ đường ηtm = f(N) được trình bày trên hình vẽ:

- Đường đặc tính công tác nhóm

TTĐ) là tập hợp các đường đặc tính

công tác của các tuabin (hay của các

tổ máy) cùng làm việc trong TTĐ Vẽ

đường đặc tính công tác của nhóm n

tuabin (hay n tổ máy) bằng cách phân

hoành độ (trục N) cho 2, 3…n trong

khi vẫn giữ nguyên tung độ η của

chúng và nối các điểm tương ứng của

nhóm từng 2, 3…n tổ máy với nhau

(hình 6.15 )

Hình 6.15: Đường đặc tính công tác của tổ

máy

Hình 6.16 : Đường đặc tính công tác của TTĐ

- Đường đặc tính cột nước của TTĐ:H = f(Q) thường được vẽ với các mức nước

thượng lưu không thay đổi

- Đường đặc tính công suất - lưu lượng của tuabin và của tổ máy là các đường

đặc tính công tác công suất Q =f(N) được vẽ cho từng trị số cột nước trong cùng một

đồ thị hình 6.16

- Đường đặc tính công suất- lưu lượng của TTĐ: Biểu thị quan hệ giữa lưu lượng

và công suất khi TTĐ làm việc với số lượng tổ máy khác nhau ứng với trị số cột nước

và mực nước thượng lưu khác nhau (theo tổ hợp lợi nhất - có η có thể lớn nhất hình 6.17)

- Đường đặc tính tổng hợp vận hành

của TTĐ: Là tập hợp các đường cong

đồng hiệu suất lớn nhất của các tổ máy

khi chúng cùng làm việc với nhau trong

TTĐ Vẽ đường đặc tính tổng hợp vận

hành của TTĐ bằng cách nhân hoành

độ, (công suât) của các đường cong

đồng hiệu suất (hay đồng chiều cao hút

Hs) của đường đặc tính tổng hợp vận

hành của một tổ máy lên 2, 3…n tổ máy

của TTĐ và nối các điểm cùng hiệu suất

2, … tổ máy thì phải mở thêm tổ máy kế tiếp mặc dù có hiệu suất tốt hơn (hình 6.18)

Hình 6.18: Đường đặc tính công suất - lưu lượng của TTĐ

Hình 6.19: Đường đặc tính tổng hợp vận hành của TTĐ

• Ví dụ: Vẽ đường biểu diễn đặc tính vận hành của tuabin phản kích

Ví dụ 1: Vẽ đường biểu diễn đặc tính vận hành của tuabin xuyên tâm hướng trục

(tuabin tâm trục)

Tài liệu:

1 Hình thức tuabin: máy tuabin xuyên tâm hướng trục trục đứng, có buồng xoắn

ốc kim loại, ống hút cong, đoạn khuếch tán ống hút có mố chống ở giữa

2 Công suất lớn nhất: N = 170000kW

3 Tốc độ quay định mức: n = 214,3vg/ph

4 Đường kính tiêu chuẩn của BXCT của tuabin: D1 = 4,1m

5 Số hiệu bánh xe công tác: PO638, đường biểu diễn đặc tính tổng hợp chủ yếu, hình thức buòng xoắn và ống hút dùng khi thí nghiệm tuabin mô hình tương tự như khi thực tế trạm thủy điện sử dụng

1 Vẽ đường đặc tính công tác và đường đặc tính vận hành

2 Vẽ đường hạn chế công suất tổ máy và xác định cột nước tính toán Htt

3 Vẽ đường đẳng trị Hs

Tính toán:

1 Hiệu chỉnh hiệu suất: hiệu chỉnh do đường kính bánh xe công tác của tuabin

mô hình và tuabin thực khác nhau, có thể dùng công thức của A.A.Nô-rô-dốp để tính toán hoặc bằng mô-nô tính toán hiệu suất Đường kính tuabin mô hình D1 = 0,46m, hiệu suất cao nhất của nó ηMmax là 91%, đường kính tuabin thực D1T = 4,1m, thì hiệu suất cao nhất của nó là:

( ) 1 (1 0,91).0,694 0,94

D

D1

1

T 1

M 1 max M max

94,01max M

max

ηη

Cho nên, trị số hiệu chỉnh ', của nó có thể không cần tính

3 Phân đoạn cột nước: Phạm vi thay đổi cột nước là từ 130m đến 160m, phạm vi dao động của '

I

n của nó phải là 69,5; 72,8 và 77,0; cột nước tương ứng của nó là 160m, 145m, 130m Như vậy là đã bao gồm cột nước lớn nhất, nhỏ nhất và cột nước bình quân

4 Tính toán đường đặc tính công tác và đường đặc tính tổng hợp vận hành:

- Đối với mỗi cột nước, phải tính ra nI tương ứng

- Vẽ đường n'I nằm ngang trên đường đặc tính tổng hợp chủ yếu

- Ghi lại toạ độ (ηM, '

I

Q ) của giao điểm giữa nó với đờng hiệu suất bằng nhau

- Tìm hiệu suất của tuabin thực

ηT = ηM + Δη

- Dựa vào công thức N 9,81 Q D2H H

1 ' Iη

= tìm ra công thức của tuabin

- Tính lại với ba cột nước theo trình tự tính toán trên, cuối cùng ghi kết quả tính toán vào bảng biểu

5 Vẽ đường đặc tính công tác và đường đặc tính vận hành:

- Vẽ đường đặc tính công tác η = f(N) Lấy hiệu suất η làm tùng độ, công suất N làm hoành độ, dùng số liệu trong bảng (6.4), đối với mỗi cột nước vẽ một đường biểu diễn đặc tính công tác( xem hình 6.20)

- đường biểu diễn bổ trợ ηmax = f(H) giữa trị số cột nước bất kỳ nào đó tương ứng với hiệu suất cao nhất (xem hình 6.21)

- Đường biểu diễn đặc tính vận hành η = f(H, N) Căn cứ vào đường đặc tính công tác, có thể vẽ ra đường đặc tính tổng hợp vận hành (xem hình 6.22)

Bảng 6.5

Hmax = 160m, H H = 2025

69,5160

=333000Q'η

I

Hbq = 145m, H H = 1750

,872145

=288000Q'η

I

Hmin = 130m, H H = 1485

,077130

=245000Q'η

I

0,78 0,320 0,81 86,2 0,78 0,33 0,81 77 0,76 0,32 0,79 62 0,80 0,350 0,83 96,6 0,8 0,36 0,83 86 0,78 0,36 0,81 71,5 0,82 0,378 0,85 107 0,82 0,39 0,85 95,5 0,8 0,4 0,83 81,4 0,84 0,410 0,87 119 0,84 0,43 0,87 108 0,82 0,44 0,85 91,5 0,86 0,445 0,89 132 0,86 0,47 0,89 120,5 0,84 0,48 0,87 102,5 0,88 0,470 0,91 142 0,88 0,51 0,91 134 0,86 0,52 0,89 113,5 0,90 0,520 0,93 161 0,9 0,56 0,93 150 0,88 0,57 0,91 127 0,90 0,660 0,93 204 0,9 0,64 0,93 171 0,88 0,67 0,91 149 0,88 0,695 0,91 211 0,88 0,69 0,91 181 0,86 0,7 0,89 153 0,86 0,725 0,89 215 0,86 0,72 0,89 184,5 0,84 0,73 0,87 155,7 0,84 0,750 0,87 217 0,84 0,74 0,87 185,5 0,82 0,75 0,85 156 0,82 0,765 0,85 216,5 0,82 0,76 0,85 186 0,8 0,77 0,83 156,5 0,80 0,788 0,83 218 0,8 0,78 0,83 186,5 0,78 0,79 0,81 157 0,78 0,805 0,81 217 0,78 0,8 0,81 187 0,76 0,81 0,79 157 0,76 0,810 0,79 213 0,76 0,82 0,79 186,5

Trên đường hạn chế công suất 0,895 0,67 0,925 206 0,89 0,67 0,92 178 0,89 0,67 0,91 149,5

Hình 6.20: Đường đặc tính công tác của

tuabin tâm trục

η%939291

H150140

13090

Hình 6.21: Đường bổ trợ của tuabin

tâm trục

Trong hình 6.22, cột nước làm tung độ, công suất làm hoành độ, từ hình trên ta thấy được độ lớn công suất của tổ máy đơn vị dưới các cột nước khác nhau Phương pháp vẽ là trước hết trên tung độ vẽ 3 đường cột nước nằm ngang, sau đó vẽ 1 đường nămg ngang của hiệu suất có trị số tròn trên hình 6.20 và cắt đường biểu diễn đặc tính công tác ở nhiều điểm, vẽ trị số của các điểm lên hình tạo độ H, N sau đó nối những điểm đó lại thành đường biểu diễn trơn nhẵn ta được đường hiệu suất trên tạo độ H, N Những nhóm đường đẳng trị hiệu suất này thành đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin

180160

140120

10080

60

Hình 6.22: Đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin tâm trục

6 Vẽ đường hạn chế công suất và xác định cột nước tính toán

Dựa vào số liệu ở hàng cuối cùng của bảng biểu tính toán (6.5) và đường đặc tính tổng hợp chính mà vẽ ra đường hạn chế công suất của tuabin Khi vẽ thì lấy 3 cột nước tương ứng với cột nước Hmin, Hbq và Hmax được ba điểm trên đường đặc tính vận hành, nối 3 điểm đó lại (như đường gẫy trên hình 6.22) thế là được đường hạn chế công suất của tuabin Nhưng khi cột nước cao, công suất của tuabin vượt xa công suất hạn chế lớn nhất của máy phát điện (Nmax = 170000kW) lúc này bị hạn chế bởi công suất của máy phát điện Do đó, đường hạn chế công suất của cả tổ máy là do đường thẳng đứng tương đương với Nmax = 170000 kW trên đường đặc tính vận hành với

đoạn đường gẫy có ghạch nghiêng tổ hợp thành Sau này khi tổ máy vận hành, thì nó

làm việc trong phạm vi bên trái đường hạn chế Giao điểm của 2 đoạn đó tương ứng

với cột nước là 141m, đó là cột nước thiết kế Htt của tổ máy

Bây giờ kiểm tra xem điểm đó có phù hợp với số liệu của đường đặc tính vận hành

không: đã biết Htt = 141m, thì:

574141

143214

1

,,

.,H

n'I = Q'I =0,67

%,

M =885

I '

%,,5 3 915

DQ

Q ) với các cột nước khác nhau như hình (6.18)

Hình 6.23: Đường quan hệ công suất với lưu lượng đơn vị

I

Q

Hình 6.19: Đường Hs = f(N)

- Dựa vào Hs = 10,0 – 1,05H, liệt kê bảng tính toán như sau:

Bảng 6.6: Bảng tính toán ứng với các cột nước

0,045 0,680 208 7,56 2,44 0,05 0,675 178 7,61 2,39 0,07 0,80 156 9,56 0,44 0,050 0,707 212 8,40 1,60 0,06 0,754 186 9,13 0,87

4 Đường kính tiêu chuẩn của bánh xe công tác D1 = 4,5m

5 Số liệu bánh xe công tác Л592, đường biểu diễn đặc tính tổng hợp chủ yếu , xem hình (6.25)., mô hình hoàn toàn giống tuabin thực

1 Vẽ đường biểu đặc tính công tác và đặc tính vận hành

2 Vẽ đường hạn chế công suất của tổ máy

3 Vẽ đường đẳng trị Hs

Tính toán:

1 Hiệu chỉnh hiệu suất

Vì góc lắp cánh quay của tuabin cánh quay khác nhau, nên hiệu suất cao nhất của tuabin cánh quay cũng khác nhau, xem hình (6.25) Do đó mỗi góc quay nên có một trị

số hiệu chỉnh hiệu suất tương ứng Còn việc tìm trị số hiệu chỉnh hiệu suất thì có thể vận dụng công thức A.A Mô-rô-dốp để tính toán hoặc tra bảng (hình) mô-nô:

5 1

1 max

T

M M

Giả sử, đường kính của tuabin mô hình D1M = 0,46, khi góc lắp của cánh quay ϕ =

100, thì hiệu suất lớn nhất của nó: ηϕM = 0,855, mà khi đường kính của tuabin thực D1T = 4,5m theo công thức trên để tính toán hiệu suất lớn nhất của nó, ηϕTmax bằng:

901 , 0 685 , 0 145 , 0 1 5 , 4

46 , 0 ) 855 , 0 1 (

=

Δηϕ ηϕT ηϕMKhi góc lắp cánh tuabin khác nhau, thì trị số hiệu chỉnh hiệu suất tính theo biểu thức trên, được ghi trong bảng (6.7) dưới đây:

2 Hiệu chỉnh tốc độ quay đơn vị:

Từ hình ( ), có thể tra được tốc độ quay đơn vị của tuabin mô hình trong trường hợp tốt nhất n IM' =158, ηMmax = 0,865 Dựa vào tính toán, hoặc tra bảng 6.7 được:

ηTmax = 0,907, do đó ta có:

4)1025,1(1581865,0

907,01581max

max '

I n

n

ηη

Trị số này lớn hơn 3%, cần phải hiệu chỉnh

3 Phân đoạn cột nước:

Phạm vi thay đổi của cột nước là 6,5 đến 8,0, phạm vi thay đổi của tương ứng là

155 đến 173 Để vẽ được đường đặc tính tổng hợp vận hành một cách chính xác, có thể chia phạm vi của thành 3 đoạn bằng nhau, dựa vào những trị số đó, tra ngược lại tìm ra trị số cột nước tương ứng, bao gồm Hmax, Hmin và hai trị số cột nước ở giữa, cuối cùng xác định được các cột nước 8,0m; 7,5m; 7,0m; 6,5m

'

I n

'

I

I n

4 Tính đổi đường đặc tính vận hành

Việc tính đổi đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin cánh quay cũng giống như kiểu tuabin tâm trục, có điều là các đường nằm ngang không phải là giao điểm của đường hiệu suất bằng nhau, mà là giao điểm của đường góc lắp cánh quay, các việc tính toán khác đều giống như tuabin kiểu tâm trục Kết quả tính toán ghi trong bảng 6.8:

'

I n

5 Vẽ đường đặc tính công tác và đường đặc tính vận hành

- Đường đặc tính công tác η = f(N): Dựa vào số liệu ηT và N trong bảng 6.8, cứ với mỗi cột nước vẽ một đường đặc tính công tác, như hình (6.26)

- Đường bổ trợ ηmax = f(H): Dựa vào hình 6.26 vẽ hiệu suất cao nhất của mỗi cột nước thành đường ηmax = f(H), xem hình (6.27), lợi dụng đường biểu diễn này có thể tìm được cột nước nhỏ nhất tương ứng với mỗi đường đẳng trị hiệu suất

6 Vẽ đường hạn chế công suất

Khi cột nước H = 7,0m; thì gặp đường 7400kW ở điểm A:

ph vg

n I

η

s m

75,0.5,4.7.81

,

9

2 2 3

và ao = 36

ph vg

nI' = 167 /

s m

Q I' =2,68 3 /

Khi cột nước H = 6,5m; n I' =173vg/ph, ao = 36 thì:

s m

Q I' =2,58 3 / , ηM = 67 , 5 %, ϕ=180, Δηϕ =0,075, ηT = ( 67 , 5 + 7 , 5 )% = 75 %

kW Q

N T =3300 I'.ηT =3300.2,58.0,75=6400

Vẽ đường nghiêng qua 3 điểm trên đó là đường hạn chế công suất của tuabin cánh quay bởi vì công suất lớn nhất của tổ máy là 7400kW Lại vẽ đường thẳng đứng, đó là đường hạn chế công suất của máy phát điện (xem hình 6.28)

7 Vẽ đường đẳng trị chiều cao hút Hs

- Dựa vào Q và N trong bảng 6.8; vẽ đường bổ trợ N = f(Q I') khi cột nước khác nhau, xem hình (6.29)

- Dựa vào n'I của cột nước tương ứng, trên đồ thị tổng hợp vẽ một đường thẳng gặp đường σ ở nhiều điểm, ghi lại σ và '

- Lấy công suất N làm hoành độ, Hs làm tung độ, vẽ Hs = f(N), xem hình (6.30)

- Vẽ trị số của các điểm nói trên lên đường đặc tính tổng hợp vận hành, nối chúng lại thành đường cong trơn tức là Hs = f(H, N), xem đường chấm chấm trên hình (6.28)

Hình 6.28: Đường đặc tính tổng hợp vận

hành của tuabin cánh quay

Hình 6.29: Đường N = f( ')

I Q

Hình 6.30: Đường quan hệ Hs = f(N)

Hình 6.31: Đường ĐTTHC của tuabin cq

6.7 Câu hỏi chương 6

1 Trình bày sơ đồ nguyên lý thí nghiệm mô hình của tuabin

2 Khái niệm về các đường đặc tính của tuabin thủy lực

3 Trình bày phương pháp xây dựng đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin cho nhà máy thủy điện

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

TUABIN 7.1 Vấn đề tiêu chuẩn hóa tuabin

Do tính đa dạng của nguồn thuỷ năng thiên nhiên, nên các tổ hợp cột nước H và lưu lượng Q ở các trạm TĐ không như nhau, và đòi hỏi cần có nhiều kiểu, loại tuabin khác nhau Điều đó không có nghĩa là mỗi TTĐ nhất thiết phải thiết kế ra loại tuabin riêng biệt Những thành tựu nghiên cứu lí thuyết tương tự và mô hình hoá tuabin trong những năm gần đây đã tìm được những kiểu tuabin có chất lượng tốt đáp ứng đầy đủ các yêu cầu xây dựng thủy điện Để giảm nhẹ công việc tính toán và chế tạo, các đơn

vị thiết kế, chế tạo và sử dụng tuabin đều dùng những tài liệu thống nhất về các kiểu tuabin đã được quy cách hoá và tiêu chuẩn hoá Đó là danh mục tuabin hoặc gam tuabin

Hiện nay ở nước ta chưa có gam tuabin, nên tạm dùng gam tuabin của Liên Xô cũ (LB Nga) Trong danh mục tuabin, người ta chia phạm vi cột nước thường gặp (H = 3 ( 500m) trong tự nhiên ra từng phạm vi cột nước nhỏ, và đề nghị sử dụng một số kiểu BXCT ít nhất đã được tiêu chuẩn hoá trong phạm vi cột nước nhỏ nói trên Gam tuabin

cỡ lớn đang dùng hiện nay ở Liên Xô dùng cho tuabin tâm trục và cánh quay trục đứng

là do nhà máy kim loại Lêningrat đề xuất năm 1962 (BH235 - 61), còn gam tuabin phản kích cỡ vừa và nhỏ do Viện nghiên cứu máy thủy lực Liên Xô đề xuất năm 1953

ở Liên Xô không có gam tuabin xung kích thống nhất Gam tuabin bao gồm các nội dung chính như cách kí hiệu tuabin, các biểu đồ và các bảng ghi các đặc tính kỹ thuật, các đường đặc tính của tuabin

Biểu đồ phạm vi sử dụng của các kiểu tuabin biểu thị bằng toạ độ lgH và lgN (trong đó trục tung - lgN và trục hoành – lgH) Trên biểu đồ phạm vi sử dụng của mỗi kiểu bánh xe công tác là một hình bình hành giới hạn bởi cột nước Hmin, Hmax và công suất Nmin, Nmax Giới hạn công suất của mỗi kiểu BXCT được xác định bởi đường kính BXCT D1max và D1min thích hợp

Dùng biểu đồ này cho phép chọn được kiểu bánh xe công tác thích hợp với cột nước và công suất đã cho

Những giới hạn phạm vi sử dụng của các hệ và kiểu BXCT theo cột nước được xác định có tính chất sơ bộ, xuất phát từ chiều cao hút HS cho phép theo quan điểm kinh tế

và điều kiện độ bền cơ học của cánh BXCT

Đồng thời, mỗi kiểu BXCT còn có một biểu đồ riêng của nó (đôi khi gọi là biểu đồ sản phẩm) cũng được xây dựng trên hệ toạ độ lgH và lgN, dùng biểu đồ này có thể chọn một cách sơ bộ đường kính, số vòng quay và chiều cao hút Hs của tuabin (ở chương trước đã trình bày)

Danh mục tuabin phản kích trục đứng cỡ lớn của Liên Xô dùng hiện nay gồm có 9 kiểu BXCT tuabin cánh quay và 8 kiểu BXCT tuabin tâm trục Các thông số thủy lực

và các thông số kết cấu của các kiểu tuabin nói trên đều được ghi rõ trong danh mục tuabin (bảng 5.1 và bảng 5.2); trong đó có một vài kiểu BXCT tuy chưa được dùng

trong thực tế nhưng qua sự phân tích các chỉ tiêu năng lượng và khí thực cho thấy có nhiều ưu điểm tốt có thể đưa vào sản xuất được

Đặc trưng cơ bản của tuabin được kí hiệu bởi một số chữ viết và chữ số và được sắp xếp theo một thứ tự nhất định gọi là nhãn tuabin Nhãn hiệu của tuabin thể hiện 3 nội dung chính sau và được phân biệt bởi dấu "-" kiểu tuabin - phương thức bố trí tuabin - kích thước đặc trưng của tuabin

Hình 7.1a: Biểu đồ phạm vi sử dụng của các kiểu tuabin loại lớn

chữ đầu (viết tắt) của các hệ tuabin (theo kí hiệu của Liên Xô):

Hai hệ tuabin đầu có trong danh mục tuabin cỡ lớn của Liên Xô

Tiếp theo phần chữ viết là cột nước lớn nhất của kiểu BXCT đó (viết ở tử số) và số hiệu mẫu thí nghiệm (viết ở mẫu số)

Phương thức bố trí tuabin - chỉ vị trí trục tuabin, trong đó: trục đứng (B), trục ngang (Γ) và kiểu buồng tuabin như sau:

Hình 7.2: Biểu đồ phạm vi sử dụng của mỗi kiểu tuabin

Buồng xoắn kim loại: M

Buồng xoắn bê tông: Б

Buồng hở: O

Buồng chính diện: Ф

Trong các kí hiệu của Liên Xô gần đây, người ta chỉ quy định vị trí trục tuabin mà không có kí hiệu kiểu buồng tuabin

Ví dụ: Kí hiệu (Л30/587 - BБ – 500 có nghĩa là tuabin cánh quay với cột nước lớn nhất Hmax = 30m, số hiệu mẫu thí nghiệm 587, trục đứng, buồng xoắn bê tông, đường kính BXCT D1 = 500cm

Đối với tuabin xung kích chưa có kí hiệu thống nhất nên ở đây chỉ giới thiệu cách

kí hiệu tuabin gáo dùng trước đây ở Liên Xô

Nhãn hiệu tuabin gáo gồm hai phần và liên hệ bởi dấu “–“

tuabin phản kích) và đường kính tiêu chuẩn BXCT (D1) với đơn vị là (cm) Nếu mỗi trục có lắp BXCT thì thêm vào sau đường kính D1 số lượng BXCT trên mỗi trục

Chẳng hạn: KBΓ 125 x 1 – 140 x 2 có nghĩa là tuabin gáo; trục ngang; đường kính D1

= 125, một BXCT; đường kính dòng tia 140mm và có hai vòi phun lắp trên BXCT

Hình 7.3: Kích thước cơ bản của tuabin phản kích

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

Phạm vi cột nước của mỗi kiểu BXCT tuabin (Hmin ÷ Hmax) được quy định (một cách gần đúng) xuất phát từ chiều cao hút cho phép hợp lý (xét về mặt kinh tế) và độ bền cơ học của BXCT và cánh bộ phận hướng nước

Các tuabin phản kích có thể sử dụng trong phạm vi cột nước như sau:

Nhờ những thành tựu của ngành chế tạo tuabin trong những năm gần đây nên phạm

vi sử dụng cột nước của nó không ngừng được mở rộng Trước đây tuabin hướng trục đặc biệt là tuabin cánh quay trục đứng thường sử dụng với cột nước H =15 ÷ 50m, ngày nay phạm vi đó mở rộng đến H = 10 ÷ 80m Sử dụng tuabin hướng trục trục đứng với cột nước thấp hơn (H<10m) phạm vi nói trên sẽ làm tăng kích thước cũng như trọng lượng tổ máy, giá thành xây dựng nhà máy của TTĐ cũng tăng lên Bởi thế, trong những năm gần đây đối với phạm vi cột nước H = 3 ÷ 15m người ta sử dụng tổ máy capxun trục ngang có tỉ tốc lớn và rẻ hơn Sở dĩ sử dụng tuabin cánh quay trục đứng ở phạm vi cột nước tương đối cao (H=50÷80m) là để tăng hiệu suất bình quân của tổ máy trong trường hop trạm thuỷ điện làm việc với phụ tải và cột nước thay đổi

tương đối lớn Vì tuabin tâm trục làm việc trong điều kiện đó sẽ cho hiệu suất bình quân tương đối thấp, do đó, lượng điện do TTĐ phát ra cũng sẽ bé Nhưng mặt khác, tuabin hướng trục đứng có đặc tínhkhí thực kém hơn so với tuabin tâm trục, bởi thế tuabin cánh quay hạn chế làm việc ở cột nước cao Kinh nghiệm cho thấy, hệ tuabin có lợi về mặt kinh tế chỉ khi chiều cao hút Hs không nhỏ hơn -6 ÷ 8m Vì vậy gần đây người ta sử dụng hệ tuabin mới, nó có thể kết hợp được các mặt ưu điểm của các hệ tuabin nói trên, như có hiệu suất bình quân tương đối cao khi cột nước h và phụ tải dao dộng lớn (tuabin cánh quay) và có đặc tính khí thực và độ sâu lắp đặt tuabin tương đối nhỏ (tuabin tâm trục) Đó là hệ tuabin chéo trục, về thực chất là hệ tuabin cánh quay hướng chéo (ДΠЛ) Hiện nay tuabin hướng chéo trong thực tế đã sử dụng với phạm vi cột nước H = 30 ÷ 200m (bảng 1.1)

Tuabin tâm trục hiẹn nay thường dùng với cột nước H = 30 ÷ 700m, như vậy nó đã thay thế phạm vi cột nước, H = 300 ÷ 700m mà đáng lẽ trước đây thường dùng tuabin gáo Trong phạm vi cột nước nói trên nên dùng tuabin gáo chỉ khi phụ tải của tuabin đảm nhận giao động nhiều; nước lẫn nhiều tạp chất và điều kiện xây dựng không cho phép tuabin lắp đặt ở độ sâu quá lớn Ở các điều kiện khác, nên sử dụng tuabin tâm trục vì hiệu suất của nó lớn hơn tuabin gáo từ 2 ÷ 3%

Hiện nay, tuabin gáo chủ yếu dùng ở cột nước lớn hơn 500m (H=500 ÷ 2000m) Đối với tuabin cỡ nhỏ, vì điều kiện xây dựng cũng như khả năng chế tạo nên phạm

vi sử dụng cột nước có thể thay đổi Chẳng hạn, đối với tuabin gáo cỡ nhỏ có thể sử dụng với cột nước H ≥ 100m; tuabin tâm trục: H = 3 ÷ 80m; tuabin cánh quạt H = 2 ÷ 16m v.v…

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

Sử dụng bảng danh mục tuabin nói trên có thể chọn được kiểu BXCT và các thông

số cơ bản (thông số kết cấu và thông số thuỷ lực) phù hợp với công suất yêu cầu đặc tính tuabin: Dùng các thông số nói trên để chọn tuabin cho phép các nhà máy chế tạo

tổ chức sản xuất tốt hơn, còn đối với đơn vị xây dựng có thể sử dụng các thiết bị cơ khí thuỷ lực (cửa cống, thiết bị cần trục v.v…) đã được tiêu chuẩn hoá và quy cách hoá Sau khi xác định kích thước (đường kính BXCT D1), số vòng quay đồng bộ n và chiều cao hút Hs của một số phương án theo các số liệu đã cho, căn cứ vào kết quả tính toán; so sánh kinh tế kỹ thuật sẽ chon được phương án thiết bị tuabin cho TTĐ lợi nhất Nếu theo số liệu đã cho chỉ chọn trong danh mục tuabin được 1 kiểu BXCt thì khi xác định đường kính D1 và số vòng quay n có thể thay đổi chút ít đại lượng quy dẫn lưu lượngvà số vòng quay của điểm tính toán trên ĐĐTTHC để có được các phương án D1 và n khác nhau

Khi so sánh phương án cần dựa vào những tiêu chuẩn cơ bản, sau đây:

+) Trị số hiệu suất tuyệt đối và hiệu suất bình quân (thể hiện ở vùng làm việccủa các phương án trên ĐĐTTHC);

+) Chiều cao hút và kích thước ngoài của khối tuabin (kích thước ngoài của buồng tuabin và ống hút) Chiều cao hút lớn hay bé có liên quan trực tiếp đến cao trình đặt

tấm móng của nhà máy TTĐ cũng như khối lượng đất đá và bê tông khi xây dựng TTĐ:

+) Đường kính BXCT D1 và số vòng quay tuabin n, vì nó có ảnh hưởng đến kích thước và trọng lượng của tổ máy

Sau đây giới thiệu các bước lựa chọn tuabin Lựa chọn tuabin cần dựa theo số liệu

và tài liệu ban đầu (gốc) sau đây:

Những số liệu gốc cần cho trước để lựa chọn tuabin là:

1 Phạm vi thay đổi và các trị số làm việc của tuabin, gồm: cột nước tính toán Htt, cột nước nhỏ nhất Hmin, cột nước lớn nhất Hmax

2 Công suất định mức (tính toán) của tuabin

3 Độ sâu móng nhà máy hoặc chiều cao hút cho phép

4 Đường quan hệ giữa mực nước hạ lưu với lưu lượng của TTĐ

5 Các yêu cầu và điều kiện khác có liên quan đến biểu đồ phụ tải, điều kiện địa hình, địa chất (nếu có) v.v…

Những tài liệu kỹ thuật gốc cần có để lựa chọn các thông số cơ bản của tuabin là danh mục tuabin bao gồm: các ĐĐTTHC, các biểu đồ phạm vi sử dụng (hình 7.1a,b,c

và hình 7.2), các bảng 7.1 và 7.2: cho biết các thông số thuỷ lực và thông số kết cấu của các kiểu tuabin Ngoài ra còn có các đường đặc tính lực nước dọc trục tác dụng lên BXCT; đường đặctính quay lồng v.v…Sử dụng các tài liệu kỹ thuật nói trên có thể xác định được đường kính BXCT D1 càn có để phát đủ công suất định mức của tuabin khi cột nước tính toán đã cho; số vòng quay đồng bộ của tổ máy thuỷ lực, chiều cao hút Hscủa tuabin đối với chế độ làm việc đã cho; số vòng quay lồng và lực dọc trục của tổ máy (để nhà máy chế tạo máy phát điện có thể thiết kế máy phát điện và ổ trục chặn của tổ máy thuỷ lực); trị số độ mở của bộ phận hướng nước và góc quay của BXCT ở các chế độ khác nhau; hình dạng và kích thước buồng xoắn, ống hút; từ đó mà xác định kích thước ngoài của khối tuabin

Để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật và chọn kiểu tuabin còn cần vẽ các đường đặc tính vận hành (mục III) cho một số phương án theo điều kiện đã cho, căn cứ phụ tải và thời gian (ở biểu đồ phụ tải điện) có thể xác định hiệu suất bình quân và lượng điện bình quân của các phương án

7.3.1 Chọn hệ tuabin và kiểu BXCT

Hệ tua bin và kiểu BXCT được chọn theo cột nước lớn nhất của tuabin (bảng 7.1, 7.2 và hình 7.1a, 7.1b, 7.1c) Cột nước lớn nhất của mỗi kiểu BXCT được quy định theo yêu cầu bảo đảm chiều cao hút Hs hợp lý và độ bền cơ học cho phép của BXCT tuabin Với trị số Hs nhỏ nhất cho phép (ở Liên Xô Hs bé nhất là -8m) và hệ số khí thực

ú đặc trưng cho mỗi kiểu BXCT thí nghiệm nhất định, thì cột nước của mỗi kiểu BXCT sẽ được xác định (gần đúng) theo quan hệ như sau:

σ s

H

=10,0

Ở đây σ được tính ứng với cột nước và công suất tính toán Ngoài ra khi chọn hệ tuabin và kiểu BXCT cần căn cứ phạm vi sử dụng cột nước đã nêu ở phần trên và cần xét tới điều kiện vần hành của TTĐ như biểu đồ phụ tải và phạm vi dao động công suất

và cột nước của TTĐ; tới đặc điểm bố trí công trình thuỷ công của TTĐ và nhà máy v.v…

7.3.2 Xác định các thông số cơ bản của tuabin

Lợi dụng đường ĐTTHC của kiểu BXCT đã chọn có thể tính được đường kính tuabin theo công thức;

tt tt

T Q H H

N D

' 1 1

81,

ηT - hiệu suất tuabin, sơ bộ chọn ηT = 0,88 ÷ 0,90;

- lưu lượng quy dẫn (m3/s) lấy ở điểm tính toán trên đường dữ trữ công suất 5% hoặc trị số cho ở bảng 7.1 hoặc bảng 7.2

'

1

Q

' max 1

Q

Thế trị số chọn được vào công thức trên, sẽ tính được D1 và làm tròn D1 đến trị

số đường kính D1 tiêu chuẩn lớn hơn gần bằng (cho tuabin cánh quay) hoặc trị số đường kính D1 tiêu chuẩn nhỏ hơn gần bằng (cho tuabin tâm trục), nếu trị số D1 tính toán gần với trị số đường kính tiêu chuẩn, và trị số không vượt quá trị số ÷ cho ở bảng 7.1 hoặc 7.2 Phạm vi này được quy định theo điều kiện bảo đảm chiều cao hút thích hợp Đường kính D1 tính theo trị số nói trên đảm bảo có phần

dư (dự trữ) công suất từ 1 ÷ 2% Nói chung trị số lấy trực tiếp trên đường ĐTTHC của mẫu mà không cần phải tính thêm lượng dư theo công thức

' 1

Q

' max 1

min 1

Q

' 1

Q

' 1

Hn

' I

trong đó :

Hbq- Cột nước bình quân, nếu không cho trước thì có thể lấy gần đúng bằng cột nước tính toán Htt;

n’I- Số vòng quay quy dẫn tính toán của tuabin; trị số n’I có thể lấy trên đường ĐTTHC đi qua điểm lớn hơn 10÷20 vg/ph so với điểm có hiệu suất cao nhất (đối với tuabin cánh quay) hoặc cao hơn 2÷ 5 vg/ph (đối với tuabin tâm trục) Cũng cần chú ý khi tính đổi n’I từ mẫu sang thực thì số vòng quay quy dẫn của tuabin n’I lớn hơn mẫu

− Tt

− t

' I '

20 300,0 46 130,4 80 75,0 128 46,9

22 272,7 48 (125,0) (84) (71,4) 136 44,1

24 250,0 (50) (120,0) 88 68,2 144 41,7

26 (230,8) 52 115,4 92 65,2 150 40,0 Ghi chú : các trị số trong dấu (…) không nên chọn vì lý đo công nghệ chế tạo máy phát điện

Để kiểm tra việc chọn các trị số D1 và n nói trên có chính xác hay không ta có thể làm như sau :

Trước hết tính các trị số quy dẫn n’I và Q’I theo công thức sau đây:

;H

nD'

n

min ax

n

max in

Im

1

=

T max max

max )

H (

HHD,

N

Q max

η

2 1

819

T min min

min )

H (

HHD,

N

Q min

η

2 1

819

số đó, đôi khi phải chọn kiểu BXCT trong hệ tuabin khác

Muốn đánh giá một cách tỉ mỉ hơn về việc chọn D1 và cần phải xây dựng đường đặc tính tổng hợp vận hành và các xác định hiệu suất bình quân cho mỗi phương án Phương án tuabin cho hiệu suất bình quân cao nhất được coi là phương án tốt nhất xét

về mặt năng lượng,

c Lựa chọn chiều cao hút Hs:

Với điểm tính toán đã chọn trên ĐĐTTHC của mẫu ta tìm được hệ số khí thực σM,

từ đó sẽ tính được chiều cao hút của tuabin ở chế độ làm việc đã cho theo công thức sau đây:

,

HS = − ∇ − σM +Δσ

9000

Trong đó :

∇- độ cao nhà máy so với mặt biển ;

Δσ- độ hiểu chỉnh hệ số khí thực (hình vẽ)

H – cột nước làm việc của tuabin ở chế độ đã cho;

σM- hệ số khí thực trên ĐĐTTHC tại điểm tính toán

Khi công suất và cột nước của tuabin thay đổi thì các đại lượng quy dẫn Q’I, n’I sẽ thay đổi và do đó hệ số khí thực σM cũng thay đổi theo Bởi thế, chiều cao hút cho phép HS cũng phụ thuộc vào công suất và cột nước làm việc tuabin Mặt khác, cột nước của trạm thuỷ điện lại phụ thuộc vào sự dao động của mức nước thượng lưu và

hạ lưu

Do đó, muốn chọn HS hợp lý cần phải xét các tổ hợp mực nước và cột nước khác nhau và tính ra trị số HS cho phép với mỗi tổ hợp nói trên Cao độ (cao trình) lắp đặt BXCT cao nhất cho phép bằng chiều cao hút HS cộng với cao trình mực nước hạ lưu cho mỗi trường hợp nói trên Muốn cho tuabin khi làm việc không có khi thực trong mọi điều kiện phải lấy cao độ thấp nhất nói trên làm cao trình lắp máy của TTĐ

Cao trình mực nước hạ lưu ∇h dược xác định theo đường quan hệ ∇h=f(Q) ứng với lưu lượng đã biết của TTĐ Khi lưu lượng xả qua TTD nhỏ nhất thì mực nước hạ lưu có trị số nhỏ nhất Thông thường cao trình mực nước hạ lưu xác định theo số lượng tổ máy làm việc ít nhất của TTĐ Để bảo đảm tuabin vận hành trong những điều kiện này không xảy ra khí thực càn hạn chế công suất tuabin theo đường đặc tính tổng hợp vận hành