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

Chương III HIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC TRONG TURBINE THỦY LỰC III.1 HIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC VÀ TÁC HẠI CỦA NĨ Khí thực tượng vật lý phức tạp dịng chảy qua turbine Khí thực phá hoại bề mặt cánh BXCT phận qua nước khác TB Khi xảy khí thực có tiếng động, phận TB bị rung động mạnh, hiệu suất, khả nước cơng suất TB bị giảm đột ngột Một nguyên nhân để xuất khí thực mạch động mạnh áp động lực vị trí dịng chảy vùng có chân khơng xuất Nếu khu vực dịng chảy, áp lực lực giảm xuống đến áp lực hóa (phh) nước bốc hình thành bọt khí, chứa đầy khơng khí nước Các bọt bị vào vùng có áp lực cao áp lực hóa hơi, nước bị ngưng tụ đột ngột với thể tích bé nhiều lần so với thể tích bọt khí Vì phần tử nước xung quanh tràn vào lấp chỗ trống với vận tốc cực lớn Tại trung tâm bọt khí, phần tử gặp đột ngột dừng lại, làm áp lực đột biến tăng lên đến hàng trăm, hàng nghìn át mốt phe Sau đó, va chạm mạnh trung tâm bọt khí, phần tử lại bắn trở làm cho áp lực trung tâm bọt khí cũ lại giảm xuống Như vậy, áp lực điểm lại bị giao động theo thời gian bị cộng hưởng áp lực đạt đến trị số lớn: 1500 át mốt phe Nếu bọt khí xuất gần bề mặt kim loại bê tơng tiếp xúc với dịng nước làm phá hoại bề mặt bị viên đạn sắc nhọn bắn vào Nếu bọt khí khơng bị phá vỡ bề mặt phần dẫn dòng có chấn động mạnh, nước chuyển chấn động đến bề mặt phần dẫn dịng bị phá họai Ngồi có khí thực cịn thấy xuất hiện tượng điện phân chênh lệch nhiệt độ phản ứng hóa học làm cho kim loại nhanh chóng bị oxy hóa,bởi ơxy có nhiều bọt khí Trong turbine phản kích mép bên mặt cánhTB, buồng BXCT TB cánh quay, vành BXCT turbine tâm trục nơi có vận tốc lớn áp lực bé nên thường xảy khí thực bị khí thực phá hoại Ở TB xung kích gáo, khí thực thường xảy vịi phun, nơi có vận tốc lớn áp lực bé III NHỮNG BIỆN PHÁP PHỊNG CHỐNG KHÍ THỰC Khí thực xuất với việc tăng vận tốc dòng chảy, chiếm vùng nhỏ, sau phát triễn thành vùng lớn Trong turbine khơng cho phép khí thực phát triên nhanh, lẽ hiệu suất turbine giảm nhanh chóng, tổ máy bị rung động mạnh bị cộng hưởng làm phá hoại, chi tiết turbine vùng xảy khí thực bị phá hoại Cho nên từ khâu thiết việc lựa chọn turbine, bố trí lắp đặt cuối vận hành turbine cần xem xét kỹ vấn đề này: - Trong việc thiết kế turbine: Các chi tiết làm việc vùng dễ xảy khí thực nên làm kim loại có tính chống khí thực cao Ví dụ thép khơng rỉ có hàm lượng crơm chím từ 12÷14% Ngồi ra, bề mặt chi tiết cần chế tạo nhẵn để hạn chế bớt xuất khí thực Mặt khác, để tăng đặc tính tốt chống khí thực phải tăng số lượng cánh hay tăng tỷ số bề dài bước cánh, nghĩa tăng diện tích mặt cánh - Về mặt thiết kế cơng trình: Chọn loại BXCT chọn chiều cao hút nước Hs phải đảm bảo turbine vận hành khơng xảy khí thực chế độ làm việc Tuy 37 nhiên thực tế u cầu turbine làm việc hồn tồn khơng có khí thực thường khơng kinh tế phải đặt turbine sâu nên làm tăng khối lượng phần nước nhà máy nhiều Vì nhà máy chế tạo turbine thường cho thêm chiều dày kim loại dự trữ cho phận dẫn dịng turbine bị phá hoại khí thực gây Những phận thay cách hàn chỗ mà khơng tháo turbine để sửa chữa cho phép bị phá hoại khí thực - Về mặt vận hành: phát khí thực giảm hiệu suất đột ngột, tổ máy bị rung động mạnh cần tìm biện pháp khắc phục Một biện pháp có hiệu mở van phá chân khơng để đưa khơng khí có áp lực cao áp lực khơng khí bên ngồi vào vùng BXCT gần trục turbine tốt Một biện pháp khác để khắc phục khí thực làm tăng tổn thất thủy lực ống xả Biện pháp có làm giảm hiệu suất turbine lại tăng an tồn turbine Tóm lại để khắc phục tượng khí thực phải có phối hợp tất biện pháp chế tạo turbine, thiết kế lựa chọn vận hành turbine III ĐIỀU KIỆN XẢY RA KHÍ THỰC VÀ HỆ SỐ KHÍ THỰC Để thiết lập phương trình biểu thị điều kiện xảy khí thực vùng BXCT turbine ta giả thiết có mặt cắt x - x (hình 3-1) đó, gần mếp - 2, có xảy áp suất thấp Xét dòng nguyên tố qua turbinr viết phương trình Becnulli cho hai mặt cắt x - x - 2: px W2 U2 p W2 U2 x x − = Z2 + + − + h x − Zx + + γ 2g 2g γ 2g 2g Viết phương trình Becnulli cho mặt cắt 2-2 5-5: p2 C2 p5 C2 2 = − Z2 + + +h Z2 + + γ 2g γ 2g −5 p p ý − Z = a = B (áp suất khí trời) γ γ Trong ba công thức trên: hX-2 h2-5 tổn thất cột nước tương ứng x - x đến - - đến - Lấy phương trình thứ hai trừ phương trình thứ Hình 3-1 ta được: ⎞ ⎛ V − V − W2 + U2 + W2 − U2 pa − p x 2 2 2 = Zx + ⎜ − h x − ⎟ , (3-1) ⎟ ⎜ γ 2g ⎠ ⎝ Trong công thức (3-1) gọi: Z x "độ chân không tĩnh " hay " độ cao hút nước" ký hiệu HS = Z x ; phần hai dấu ngoặc " độ chân khơng động" Gọi hệ số khí thực σ tỷ số độ chân không động cột nước H, vậy: ⎛ V − V − W2 + U2 + W2 − U2 ⎞ 2 2 ⎜ − h x − ⎟ = σH (3-2) ⎜ ⎟ 2g ⎝ ⎠ Thay (3-2) vào (3-1) ta có: p x pa = − H s − σH điều kiện để khơng phát sinh khí thực x - x là: γ γ 38 px p p p = a − H s − σH ≥ p hh ; rút σ ≤ a − H s − hh = H a − H s − H hh ; γ γ γ γ 0 Từ điều kiện chuẩn nhiệt độ bình thường (15 - 30 ) áp suất hố khoảng (0,18÷0,43m cột nước), lấy p hh = 0,33m, áp suất khí trời Ha = 10,33m cột nước, mực nước ∇ = thay vào công thức ta có điều kiện để độ cao hút nước HS khơng sinh khí thực là: HS ≤ 10,33 - 0,33 - σH = 10 - σH = [ HS] (3-3) Áp dụng cho thực tê: cao trình đặt turbine ∇ > độ giảm áp suất tương ứng ∇ , mặt khác để tăng tính an tồn ta nhân thêm vào σH lượng (σ +∆σ)H, ta 900 có: ∇ HS ≤ [ HS] = 10 - (σ +∆σ)H (3-4) 900 ∇ hoặc: HS ≤ [ HS] = 10 - kσ H (3-5) 900 ∆σ tra theo biểu đồ (hình 3-2); Hệ số k lấy k = 1,05 - 1,1 Hình 3-2 Quan hệ ∆σ = f(H) III XÁC ĐỊNH CAO TRÌNH ĐẶT TURBINE Ở trình bày nguyên nhân điều kiện xảy tượng khí thực Một điều kiện để khơng phát sinh khí thực turbine cao trình đặt turbine phải đảm bảo HS ≤ [ HS] Tuy nhiên việc chọn điểm x điểm giả thiết có áp lực nhỏ thường khơng thể xác định xác được, nên thường quy định vị trí nơi xảy áp suất nhỏ có tính đến đại lượng dự trữ an tồn để khơng xảy xâm thực chế độ thiết kế Đối với loại turbine chiều cao hút nước quy ươc HS khác (hình 3-3) sau: - Turbine hướng trục hướng chéo trục đứng HS lấy từ tâm trục cánh đến mực nước hạ lưu (hình 3-3,c), cịn cao trình đặt turbine ∇lm lấy cao trình qua CCHD; - Turbine tâm trục trục đứng HS lấy từ mép cánh hướng dòng đến mực nước hạ lưu (hình 3-3,a), cịn cao trình đặt turbine ∇lm lấy cao trình qua CCHD; - Turbine trục ngang, HS khoảng cách từ điểm cao ống hút tới mực nước hạ lưu (hình 3-3,b), cịn cao trình đặt turbine ∇lm lấy cao trình qua tim trục turbine 39 Hình 3-3 Quy định chiều cao hút nước cao trình đặt turbine Cao trình đặt turbine (∇lm) quy định trên, có liên quan đến độ cao hút nước; để không phát sinh khí thực độ cao hút nước HS phải lấy nhỏ độ cao hút cho phép [ HS] theo cơng thức (3-4) (3-5) Như cao trình ∇lm đặt sâu an tồn khí thực, nhiên khối lượng phần nước nhà máy lớn Vì chọn ∇lm cho vừa an tồn khí thực vừa đảm bảo khối lượng cơng trình Cao trình lắp turbine tính cho loại turbine sau: - Đối với turbine tâm trục trục đứng (hình 3-3,a): bo (3-6) ∇ lm = Z hl + H s + - Đối với turbine hướng trục trục đứng (hình 3-3,c): (3-7) ∇ lm = Z hl + H s + x D1 Với x = 0,41÷0,46 - Đối với turbine trục ngang (hình 3-3,b): D ∇ lm = Z hl + H s − (3-8) Trong công thức trên, cột nước H lưu lượng Q phát điện thay đổi mực nước hạ lưu Zhl độ cao hút nước HS thay đổi Trong thực tế dựa vào điều kiện thiết kế để chọn cao trình đặt máy: Dùng cột nước thiết kế (HTK) để tính [HS], thường dùng lưu lượng turbineđể tính mực nước hạ lưu Zhl, cao trình ∇ thực ∇ bé, sai số khơng chất cao trình đặt turbine ta chưa biết, tỷ số 900 đáng kể lấy chừng cao trình dự định đặt turbine (thường lấy cao trình mực nước thấp hạ lưu) Để tính cao trình đặt máy hơn, cho H, Q thay đổi tính trị số ∇lm , sau vẽ đường tần suất ∇lm ~ p%, dựa vào tần suất thiết kế trạm tra ∇lm phân tích để chọn kết thoả đáng 40 Chương IV NGUYÊN LÝ CÔNG TÁC VÀ LUẬT TƯƠNG TỰ CỦA TURBINE THỦỶ LỰC IV DÒNG CHẢY TRONG TURBINE THUỶ LỰC Để xét trình biến đổi lượng BXCT turbine thuỷ lực trước hết ta tìm hiểu dịng chảy Q trình chuyển động dịng chảy BXCT phức tạp, phần tử chất lỏng vừa chảy men theo bề mặt cánh dạng cong khơng gian lại vừa chảy vịng quanh trục quay turbine, chuyển động khơng gian ba chiều Sự thay đổi lưu tốc hướng lẫn trị số làm thay đổi thông số turbine lưu lượng, vòng quay, hiệu suất v.v turbine Tất phần tử chất lỏng vùng BXCT tuân theo hai chuyển động: chuyển động tương đối theo biên dạng cánh chuyển động theo vận tốc quay bánh xe Như chuyển động tuyệt đối phần tử chất lỏng tổng vectơ vận tốc hai → → chuyển động (hình 4-1) Gọi U vận tốc theo, W vận tốc tương đối, vận tốc → → → → tuyệt đối V xác định theo công thức: V = U + W Ba vectơ tạo thành tam giác khép kín gọi "tam giác tốc độ" Tam giác tốc độ cửa vào (điểm 1) tam giác Hình 4-1 Sơ đồ dịng chảy BXCT turbine tốc độ cửa (điểm 2) bánh xe cơng tác trình bày (hình 4-1,b, d) Các góc tạo thành tam giác tốc độ tương ứng nói gồm: α góc tạo thành vận tốc → → → tuyệt đối V với vận tốc theo U , cịn β góc tạo thành vận tốc tương đối W với → vận tốc theo U Các góc β1, β2 tuỳ thuộc vào cấu tạo hình dạng cánh Dịng nước khe cánh turbine tâm trục (hình 4-1,a) chảy dọc theo thành cánh, vectơ vận tốc tương đối dòng nước hướng theo trục khe Nếu chiều cao khe khơng đổi vận tốc tương đối W tỷ lệ nghịch với chiều rộng khe Vì turbine tâm trục khoảng khơng gian CCHD BXCT bé nên nói chung cho vận tốc tuyệt đối cửa CCHD vận tốc tuyệt 41 đối cửa vào BXCT (V0 = V1), vận tốc tương đối mép vào W1 trùng với tiếp tuyến mép vào BXCT dịng chảy thuận chảy lượn bao prơfin cánh "chảy vào khơng va" cửa vào Vì vận hành cố gắng bảo đảm điều kiện Trong turbine hướng trục (hình 4-1,c), ngồi điều rút turbine tâm trục, có đặc điểm sau: - Chuyển động dịng chảy BXCT có hướng song song với trục quay; - Bộ phận CCHD nằm cách xa BXCT, nên khoảng không gian chúng tương đối lớn vectơ vận tốc tuyệt đối mép cánh hướng dịng V0 khơng thể vận tốc tuyệt đối mép vào bánh xe công tác V1 Do điều kiện "chảy vào không va" không bảo đảm turbine cánh quạt làm việc khác với chế độ thiết kế, turbine cánh quay cánh xoay khắc phục đặc điểm Ở cửa BXCT cần cho dòng chảy từ cửa đổ vào ống xả cần cố gắn giảm tổn thất xoáy đến mức thấp để tăng hiệu suất turbine IV PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA TURBINE Phương trình turbine thuỷ lực xác lập quan hệ mơmen lực tác dụng dịng nước vào BXCT thành phần vận tốc cửa vào cửa Như thấy dịng nước chảy BXCT dịng khơng gian ba chiều phức tạp, để đơn giản lập phương trình này, ta xét dòng nguyên tố dòng chảy turbine chế độ làm việc ổn định Từ suy chung cho tồn dịng chảy phạm vi BXCT với giả thiết sau: - BXCT có số lượng cánh nhiều vô hạn, cánh cực mỏng Như khe hở cánh hẹp, lúc quỹ đạo chuyển động tương đối chất lỏng trùng với tuyến AB cánh (hình 4-1,e); - Dòng chảy turbine dòng ổn định Như đường dịng trùng với quỹ đạo chuyển động chất lỏng Giả thiết cho phép ta tìm vị trí hình dạng đường dòng turbine; - Dòng chảy qua turbine dòng lý tưởng, khơng tính đến tổn thất thuỷ lực Xét chuyển động dòng nguyên tố tách từ dòng chảy BXCT Lấy hệ trục toạ độ (r, u, z) theo phương hướng tâm, hướng vòng hướng đứng, phân tích vận tốc tuyệt đối V theo hệ trục ta có có thành phần vận tốc tương ứng VR, VU VZ, có thành phần vận tốc vịng có khả gây mơmen quay, cịn hai thành phần vận tốc khơng gây mômen quay với trục Z.Do ta sử dụng vận tốc vịng để thiết lập mơmen quay cho BXCT, ta chuyển nghiên cứu tốn khơng gian toán phẳng cách chiếu vận tốc tuyệt đối V thành phần U W mặt phẳng tương ứng điểm dòng nguyên tố (hình 4-1,e) Khi chảy men theo bề mặt cánh, vận tốc dịng chảy khơng ngừng đổi hướng trị số, hạt chất lỏng chịu tác dụng cánh BXCT Theo định luật ba Niu tơn hạt chất lỏng có tác dụng trở lại cánh lực trị số có chiều ngược lại, lực tạo nên mômen xoắn lên trục turbine Áp dụng luật biến thiên mômen động lượng để lập quan hệ Theo luật này, đạo hàm mômen động lượng với thời gian hệ mômen tất ngoại lực tác dụng vào hệ Nếu xét dịng nguyên tố di chuyển từ cửa vào đến cửa sau thời gian dt thì: dL (4-1) = ( L − L1 ) = M c dt dt : L1 , L2 mơmen động lượng tương ứng dòng nước đầu cí dt; Mc mơmen ngoại lực tác dụng lên dòng nguyên tố xét 42 Tại cửa vào cách trục turbine bán kính r1 dịng ngun tố có vận tốc tuyệt đối V1 thành phần vận tốc theo U1, vận tốc tương đối W1, cửa cách trục turbine bán kính r có vận tốc tuyệt đối V2 thành phần vận tốc tương ứng U2 W2 Gọi lưu lượng nước qua đơn vị thời gian q, bỏ qua tổn thất dung tích chuyển từ đến khối lượng nước hai điểm m = ρ q dt Tương ứng ta có mơmen động lượng cửa vào cứa BXCT là: L1 = m V r1 cos α1 = ρ q dt V1 r1 cos α1 L = m V r cos α = ρ q dt V r cos α Thay giá trị L1 L2 vào (4-1) ta có: dL = ρ q ( r V cos α − r1 V cos α1 = M c (*) Trong công thức (*), Mc mômen cánh turbine tác dụng lên chất điểm nước, gọi Mn mômen chất điểm nước tác dụng lên cánh turbine Mn = - Mc, (**) ρ q ( r1 V cos α1 − r V cos α = M n Phương trình (**) lập cho dịng ngun tố chảy BXCT, để mở rộng cho tồn dịng chảy toàn BXCT ta thay Q = Σq M = Σ M n nhân hai vế (**) với vận tốc góc ω ta có: ρ Q ( V r1 ω cos α1 − V r ω cos α ) = M ω ; Mặt khác, ta biết r1 ω = U1 ; r ω = U ; M.ω = N = ρg Q H Từ rút ra: (4-2) ( V1 U1 cos α1 − V U cos α ) g Phương trình (4-2) vừa lập cho turbine có số cánh vơ hạn, cánh vơ mỏng chất lỏng lý tưởng Thực tế turbine có số cánh hữu hạn, có bề dày chất lỏng thực, có tổn thất thuỷ lực BXCT cột nước thực tế Hth ηH, với η hiệu suất thuỷ lực (Hth = H - ∆H = ηH) Vậy (4-2) viết lại là: η H = ( V1 U1 cos α1 − V U cos α ) Từ rút phương trình g dạng khác, dùng cho turbine thực tế: ( V1 U1 cos α1 − V U cos α ) η = (4-3) gH H = Phương trình (4-3) viện sỹ Eule lập năm 1754, gọi phương trình turbine Phương trình viết chung cho turbine phản kích xung kích - Để nâng cao hiệu suất turbine việc cố gắng đảm bảo vận hành turbine điều kiện "chảy vào khơng va" (như trình bày IV-1), theo phương trình (4-3) hiệu suất lớn BXCT có V2U2cosα2 = Vì cột nước xét không đổi, vận tốc V2, U2 không cosα2 = hay α2 = 900 Như điều kiện chảy lợi véc tơ vận tốc V2 thẳng góc với véc tơ vận tốc U2, tức điều kiện chảy thẳng góc hay điều kiện "pháp tuyến cửa ra" Tuy nhiên qua nhiều thí nghiệm chứng tỏ thực tế nên chọn α2 < 900 tích số V2U2cosα2 = 0,2gH hiệu suất turbine cao hơn, α2 < 900 dịng chảy sau khỏi BXCT có xốy tạo điều kiện chảy BXCT ống xả tốt - Ap dụng phương trình (4-3) viêt cho turbine xung kích gáo (hình 4-1,d): Nước từ vòi phun bắn vào cánh gáo theo tia trịn, sau khỏi vịi phun, tồn lượng dòng tia trừ tổn thất biến thành động với vận tốc V = ϕ 2gH , đến gáo, tia nước tách hai phần chảy vào hai nửa gáo dạng 43 cong ellipsse, dòng nước rời khỏi cánh gáo với vận tốc tuyệt đối V nhỏ, vận tốc theo W gần ngược chiều với V Nếu bỏ qua tổn thất ma sát nước gáo W1 = W Điểm vào (1) điểm (2) cách trục khoảng gần nhau, mà U1 = U = U Dựa vào tam giác tốc độ cửa vào cửa, thành (4-3) là: (*) V U1 cos α1 = V1 U ; V cos α = U + W cos β = U + W cos β = U + ( V1 − U ) cos β (**) Thay (*) (**) vào (4-3) ta có phương trình (4-4) turbine xung kích gáo: (4-4) η= U ( V1 − U ) ( − cos β ) gH Từ phương trình (4-4 thấy để tăng hiệu suất turbine gáo, H biết thì: Tích U(V1 - U) phải lớn nhất, ta đạo hàm tích theo U cho 0, ta có: U = 0,5 V1, nghĩa tốc độ vòng phải nửa tốc độ tuyệt đối dịng phun Nhưng điều khơng đạt có tổn thất, thực tế U = (0,43 - 0,47) V1 Tích (1- cos β ) lớn nhất, muốn góc β = 180 Nhưng β = 180 phương W trùng với phương U , dòng nước cánh sau đập ngược phía sau cánh trước làm giảm mơmen quay BXCT, lấy β = 176 ÷ 177 IV LUẬT TƯƠNG TỰ CỦA TURBINE VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG QUY DẪN CỦA TURBINE Công tác thực nghiệm mơ hình trường có tác dụng bổ sung độ tin cậy cho kết nghiên cứu thiết kế turbine thiết bị, cơng trình khác Nhờ thực nghiệm khắc phục bớt khiếm khuyết chưa lường trước chưa thể đề cập hết yếu tố thực tế Với yêu cầu đó, người ta thu nhỏ kích thước turbine cần chế tạo thành turbine tương tự, gọi turbine mơ hình Tiến hành thí nghiệm mơ hình vẽ đường đặc tính turbine, để từ thơng qua quan hệ tương tự với turbine mơ hình phục vụ cho việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo turbine Để đảm bảo độ tin cậy kết nghiên cứu mơ hình áp dụng cho turbine thực tế cần phải có điều kiện tiêu chuẩn tương tự IV Các điều kiện tương tự Hai turbine máy thuỷ lực gọi tương tự chúng thoả mãn ba điều kiện tương tự là: tương tự hình học, tương tự động học tương tự động lực học Điều kiện tương tự hình học Nếu ta ký hiệu thơng số turbine mơ hình cách ghi vào thêm số (M), cịn thơng số turbine thực cần chế tạo số (T) điều kiện để tương tự hình học kích thước hình học tương ứng chúng phải theo tỷ lệ: D1M D 2M b M (4-5) = = = ⋅ ⋅ ⋅ = const D1T D 2T b 0T Tập hợp turbine đồng dạng hình học gọi turbine kiểu Điều kiện tương tự động học Điều kiện hai turbine tương tự động học phân bố vận tốc điểm tương ứng dòng chảy hai turbine kiểu phải tương tự, nghĩa tỷ lệ vận tốc tương ứng phải nhau, tam giác tốc độ phải đồng dạng: 44 V M UM WM (4-6) = = VT UT WT góc kẹp thành phần vận tốc tương ứng phải Điều kiện tương tự động lực học Điều kiện hai turbine tương tự động lực học lực ( trọng lực, lực nhớt, lực quán tính ) tác dụng lên phần tử tương ứng dòng chảy phải tỷ lệ Trong lý V l thuyết tương tự người ta thường dùng chuẩn số: Rây nôn (Re = ), Frút (Fr = ν p V2 V ), Struchan (Sh = ) Ơle (Eu = ) làm điều kiện tương tự g l n l ρ V Điều kiện tương tự động lực học là: ReM = ReT, FrM = FrT, ShM = ShT, EuM = EuT, yêu cầu tối thiểu để coi la đồng dạng động lực học hai chuẩn số: ReM = ReT, FrM = FrT (4-7) Hai turbine có chuẩn số Re đảm bảo tươmng tự lực nhớt lực quán tính, chuẩn số Fr đảm bảo tương tự trọng lực lực quán tính, chuẩn số Sh bảo đảm tương tự lực qn tính, cịn chuẩn Eu kết hai dòng chảy đảm bảo tương tự Re, Fr Trong thực tế thí nghiệm máy thuỷ lực cho thấy đảm bảo điều kiện tương tự động lực học được, turbine khác kích thước khó đảm bảo tỷ lệ độ nhám trình độ gia cơng Vì người ta có xu hướng đảm bảo theo hai chuẩn số Raynon Frút, việc chọn chuẩn tuỳ thuộc lực có tác dụng chủ yếu mà định, ví dụ dịng chảy có áp ống turbine phản kích tính nhớt có tính định cần phải đảm bảo chuẩn số Re IV Các quan hệ hai turbine tương tự Để thành lập công thức tương tự turbine tương tự, trước tiên ta xác định quan hệ tương quan vận tốc dịng chảy theo góc α1 , α , β1 , β cột nước turbine cửa vào cửa BXCT Giả thiét dòng chảy khỏi BXCT theo hướng pháp tuyến, nghĩa phương trình có dạng η tl gH = U1 ⋅ V ⋅ cos α1 Mặt khác theo tam giác tốc độ lượng giác ta có: W1 U1 V1 = = sin α1 sin ( β1 − α1 ) sin β1 U1 ⋅ sin β1 U1 ⋅ sin α1 vậy: V1 = và: W1 = ; ta có: sin ( β1 − α1 ) sin ( β1 − α1 ) η tl gH = U1 ⋅ V ⋅ cos α1 = U1 ⋅ sin β1 ⋅ cos α1 sin ( β1 − α1 ) Từ rút ra: U1 = sin ( β1 − α1 ) cos α1 sin β1 2gη tl H = K u tương tư ta rút tốc độ sau: 45 2gη tl H (4-8) V1 = W1 = sin β1 cos α1 sin ( β1 − α1 ) 2gη tl H = K v sin α1 ⋅ sin ( β1 − α1 ) sin β1 cos α1 sin ( β1 − α1 ) 2gη tl H 2gη tl H = K W (4-9) 2gη tl H , (4-10) Các hệ số K u , K v , K w phụ thuộc vào góc tam giác tốc độ tỷ số D2 / D1 Nếu hai turbine tương tự hệ số khơng thay đổi ( điều kiện tương tự hình học động lực học) Vậy ta ta suy công thức biểu thị quan hệ thơng số turbine mơ hình turbine thực cần chế tạo Chúng ta nhận thấy turbine kiểu làm việc với chế độ góc α1 β1 cửa vào Do hệ số tốc độ cửa vào vận tốc tương ứng Quan hệ vòng quay Vận tốc vòng cuả hai turbine mơ hình thực xác định từ cơng thức (4-8): π D1M n M U M = K uM 2g H M η tlM = 60 π D1T n T U T = K uT 2g H T η tlT = 60 Ở chế độ làm việc góc K uM = K uT , lập tỷ số cho hai vận n M D1T H M η tlM (4-11) = nT D1M H T η tlT Quan hệ lưu lượng Lưu lượng nước chảy qua BXCT tỷ lệ với tiết diện ướt (F) BXCT vận tốc tương đối (W) có kể đến hiệu suất dung tích (ηq) Vậy viết cơng thức tính lưu lượng cho hai turbine mơ hình turbine thực là: ηqM Q M = F M W1M = F M K WM 2g H M η tlM tốc ta có: ηqT Q T = F T W1T = F T K WT 2g H T η tlT Đối với turbine kiểu tỷ số tiết diện F tỷ lệ với bình phương đường kính, nghĩa D2 F 1M = 1M , lập tỷ số lưu lượng ta có: F1T D1T Q M D1M H M ηqT η tlM = (4-12) QT D1T H T ηqM η tkT Quan hệ công suất Công suất turbine mô hình thực tính sau: N M = 9,81 Q M H M η M lập tỷ số hai công suất thay tỷ số lưu lượng N T = 9,81 Q T H T ηT theo cơng thức (4-12) ta có quan hệ cơng suất: N M D1M H M H M η M ηqM η tlM = (4-13) NT D1T H T H T ηT ηqT η tlT 46 Các công thức (4-11) đến (4-13) quan hệ thông số công tác chế độ tương tự ( chế độ đồng góc) gọi cơng thức tương tự turbine thuỷ lực Qua thí nghiệm mơ hình thơng số turbine mơ hình biết, dùng cơng thức tương tự để tính thơng số tương ứng turbine thực mà ta cần tìm Trong thực tế tính tốn thiết kế ta chọn turbine bước ban đầu thường tính gần đúng, bỏ qua sai khác hiệu suất turbine mơ hình turbine thực tỷ lệ kích thước với đường kính D1 Ta có quan hệ gần lần thứ sau: n M D1T H M (4-14) = n T D1M H T QM QT = D1M HM D1T HT N M D1M H M = NT D1T H T (4-15) HM (4-16) HT IV 3 Các đại lượng quy dẫn Trong thiết kế turbine thông số turbine (H, Q, n, N) đặc trưng cho turbine loại tương tự Để đặc trưng cho loại turbine người ta đưa đại lượng mang tính ước lệ gọi đại lượng quy dẫn ( hay đại lượng dẫn xuất) Các đại lượng quy dẫn turbine là: vịng quay, lưu lượng cơng suất turbine có đường kính tiêu chuẩn D1 = 1m, làm việc với cột nước H = 1m Để có đại lượng quy dẫn, ta thí nghiệm với turbine mơ hình có đường kính tuỳ ý ( thường D M nhỏ 1m), với cột nước làm việc H M đo các vòng quay n M , lưu lượng Q M Dùng cơng thức tương tự để tính đổi đại lượng quy dẫn từ số liệu thí nghiệm: Gọi turbine mơ hình turbine có đường kính D M = 1m, cột nước H M = 1m ' ' theo định nghĩa n M = n1 , Q M = Q1 , bỏ số (T) công thức (4-14, 4-15, 4-16) đại lượng turbine thực, công thức quy dẫn là: n D1 ' (4-17) n1 = H ' Q1 = Q D1 (4-18) H ' ' (4-19) N = 9,81 Q1 η H H D1 Như turbine tương tự có đại lượng quy dẫn Trong thiết kế turbine, chọn mơ hình có đường kính D1M = 1m , ' ' ' H M = 1m đại lượng quy dẫn n1 , Q1 , N ta xác định thông số turbine cần thiết kế theo công thức sau: ' Q = Q1 H D1 ' n1 H n= D1 ' N = N D1 H (4-20) ' H = 9,81 η Q1 D1 H H 47 IV Số vòng quay đặc trưng ( hệ số tỷ tốc) Để biểu thị cách tổng hợp đặc tính thuỷ lực turbine theo số vòng quay, khả tháo nước, đồng tời đẻ so sánh hệ turbine với kiểu BXCT khác nhau, ngành chế tạo máy thuỷ lực thường sử dụng đại lượng vật lý gọi vòng quay đặc trưng hay hệ số tỷ tốc, ký hiệu nS Về thực chất hệ số tỷ tốc số vòng quay phút turbine có kích thước cho làm việc với cột nước 1m phát cơng suất mã lực (hoặc 736 W) Để thành lập công thức tính vịng quay đặc trưng, ta sử dụng công thức tương tự (4-16) (4-14) Nếu gọi turbine mơ hình có n M = n S , H M = 1m , N M = mãlực, có đại lượng D M Các đại lượng turbine thực công thức bỏ số (T) Từ công thức (4-16)viết lại theo quy ước ta có: 2 D1M 1 N M D1M H M H M , thay H M = 1m N M = ta có ; = = N D1 H H N D1 H H rút ra: D1 = D1M N H H (*) Từ công thức (4-14) viết lại theo quy ước ta có: D1 nS n M D1T H M = , thay n M = n S H M = 1m , ta có: = n n T D1M H T D1M H , rút ra: nS = n nS = n D1 D1M N H thay (*) vào ta có: (4-21) H4 H Trong cơng thức (4-21): n (v/ph), H (m), N (mãlực), nS (v/ph) Nếu thay thứ n N , (v/ph) (4-22) nguyên N (kW) n S = 1167 , H4 H Ta cịn tính hệ số tỷ tốc theo thơng số quy dẫn tương tự; dùng công thức (4-22), với n tính theo cơng thức (4-20), ta có: ' n1 H ' ' ' (4-23) , 9,81 η Q1 D1 H H = 3,65 n1 Q1 η n S = 1167 H4 H D1 Q'1 tính theo m3/s Số vòng quay đặc trưng nS(hay hệ số tỷ tốc) hệ số tổng hợp chứa đựng thơng số turbine (H, Q, N, n) thành lập từ đại lượng turbine mơ hình theo cơng thức đồng dạng, khơng đổi kiểu turbine, khơng phải vòng quay thực turbine Mỗi kiểu turbine phạm vi làm việc cột áp công suất khác nS khác Turbine hướng trục có H thấp, N lớn số vòng quay thực tế nhỏ lưu lượng lớn nên nS lớn ( nS = 500÷950 v/ph); turbine gáo làm việc với H cao, N tương đối nhỏ, Q nhỏ nên hệ số tỷ tốc nhỏ (nS = 5÷70 v/ph) Các turbine tương tự có chung vịng quay đặc trưng khơng phụ thuộc vào đường kính thơng số H, Q, N Vì người ta cịn dùng tỷ tốc nS việc việc 48 phân loại turbine Lưu lý chế độ làm việc turbine thay đối, ứng với trị số cột nước cho trước hệ số tỷ tốc thay đổi, bới để so sánh turbine theo kiểu tỷ tốc tiến hành điều kiện chúng làm việc chế độ Thường hệ số tỷ tốc tính ứng với turbine có cơng suất định mức, cột nước tính tốn số vịng quay đồng Từ công thức tỷ tốc ta thấy: hai turbine có đường kính BXCT D1 cột nước H turbine có tỷ tốc lớn cho cơng suất vịng quay lớn Do dùng turbine có tỷ tốc lớn ứng với công suất cho trước cho phép giảm D1 số vịng quay lớn Do xu phát triển ngành chế tạo turbine tìm cách tăng tỷ tốc turbine để giảm nhỏ kích thước turbine kích thước máy phát IV Tính tốn hiệu suất turbine thực từ turbine mơ hình Trong thực tế hai turbine tương tự làm việc chế độ tương tự hiệu suất chúng khác phụ thuộc vào cột nước đường kính BXCT Sở dĩ có khác nầy cơng thức tính gần bỏ qua tỷ số hiệu suất, bỏ qua khác tổn thất hai turbine tương tự tính phức tạp chưa có cách tính xác tổn thất Trong thực tế xác định hiệu suất turbine thực thường phải dùng đến công thức kinh nghiệm dựa vào chế độ làm việc tối ưu turbine mơ hình Cơng thức kinh nghiệm xác định hiệu suât toàn phần turbine thực sau : Khi cột nước H ≤ 150 m: D η max T = − ( − η max M ) 1M (4-24) D1T Khi cột nước H > 150 m: D H η max T = − ( − η max M ) 1M 20 M (4-25) D1T HT Đối với turbine thí nghiệm mơ hình ta xác định hiệu suất thuỷ lực với trị số cột nước xác định hiệu suất turbine thực tơng ứng theo công thức sau: ⎡ ⎤ R ηiT = − ( − ηiM ) ⎢ ε + ( − ε ) eM ⎥ (4-26) R eT ⎦ ⎣ Trong (4-26) ε số phần trăm hiệu suất, phụ thuộc vào chế độ làm việc turbine, khó tính được, người ta chọn gần ε theo điều kiện làm việc tối ưu turbine R eM D1M H M = ε = 0,5 dùng chung cho chế độ làm việc Còn R eT D1T H T Trong tính tốn hiệu chỉnh hiệu suất turbine thực từ mơ hình người ta thường sử dụng công thức (4-24) (4-25) để tính, với độ xác gần cho phép 49 ... mặt cắt 2-2 5-5 : p2 C2 p5 C2 2 = − Z2 + + +h Z2 + + γ 2g γ 2g −5 p p ý − Z = a = B (áp suất khí trời) γ γ Trong ba công thức trên: hX-2 h 2-5 tổn thất cột nước tương ứng x - x đến - - đến - Lấy... +∆σ)H, ta 900 có: ∇ HS ≤ [ HS] = 10 - (σ +∆σ)H ( 3-4 ) 900 ∇ hoặc: HS ≤ [ HS] = 10 - kσ H ( 3-5 ) 900 ∆σ tra theo biểu đồ (hình 3-2 ); Hệ số k lấy k = 1,05 - 1,1 Hình 3-2 Quan hệ ∆σ = f(H) III XÁC ĐỊNH... sau: - Đối với turbine tâm trục trục đứng (hình 3-3 ,a): bo ( 3-6 ) ∇ lm = Z hl + H s + - Đối với turbine hướng trục trục đứng (hình 3-3 ,c): ( 3-7 ) ∇ lm = Z hl + H s + x D1 Với x = 0,41÷0,46 - Đối