Tuabin thủy lực

Giáo trình tuabin thủy lực - Đại học Bách Khoa Hà Nội

- ˜ - & -

™ -GIÁO TRÌNH TUABIN THỦY LỰC

Tháng 11-2010

LỜI NÓI ĐẦU

Để đáp ứng nhu cầu học tập Thuỷ điện của sinh viên khoa Xây dựng Thuỷ lợi - Thuỷ điện thuộc Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng trong giai đoạn mới,

chúng tôi biên soạn giáo trình "Turbine thuỷ lực - các thiết bị thuỷ lực và Công trình trạm Thuỷ điện" (là giáo trình môn học Thuỷ điện 2) Giáo trình này được

biên soạn theo nội dung "Đề cương môn học Thuỷ điện" đã được nhà trường phê duyệt năm 2005

Giáo trình Thuỷ điện 2 gồm 17 chương, được trình bày trong hai phần lớn: phần I (thiết bị thuỷ điện) và phần II (công trình Thuỷ điện):

Phần I - "Turbine thuỷ lực - các thiết bị thuỷ lực" của trạm thuỷ điện, gồm

8 chương (từ chương I đến chương VIII) Phần này dùng để giảng với 20 tiết trên lớp, nội dung tìm hiểu: turbine thuỷ lực, thiết bị điều tốc, các thiết bị phụ và các hệ thống thiết bị phụ thuỷ lực về cấu tạo, tính năng hoạt động cũng như lựa chọn, tính toán xác định các thông số cơ bản và kích thước của thiết bị đủ phục vụ cho thiết kế trạm thuỷ điện

Phần II - "Công trình trạm thuỷ điện", gồm 9 chương dùng để giảng 40 tiết trên lớp, thuộc hai phần: Phần IIa -"Các công trình thuộc tuyến năng lượng"

với 7 chương (từ chương IX đến chương XV), bao gồm các công trình thuộc tuyến năng lượng: cửa lấy nước, bể lắng cát, công trình dẫn nước, bể áp lực, đường ống turbine, buồng điều áp Nội dung trình bày về cấu tạo cũng như tính toán xác định kích thước các công trình thông qua tính toán thuỷ lực và tính toán

dòng không ổn định của chúng Phần IIb - "Nhà máy thuỷ điện", gồm 2 chương

XVI và XVII, nội dung trình bày các loại nhà máy thuỷ điện và một số thiết bị cơ điện của chúng, cách bố trí, xác định kích thước nhà máy, tính toán ổn định và tính kết cấu các phần dưới nước của nhà máy

Giáo trình này đề cập khá đầy đủ nội dung chuyên môn của môn học Thủy điện 2, đáp ứng 60 tiết giảng trên lớp và còn có thể dùng tham khảo thêm sau này khi sinh viên ra trường tham gia vào lĩnh vực thiết kế công trình thuỷ điện sẽ gặp phải

Trong quá trình biên soạn giáo trình, do khả năng có hạn do vậy không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của đồng nghiệp và bạn đọc để sửa chữa cho tốt hơn

Tháng 5 - 2006 Tác giả

Phần I

Turbine thủy lực là loại động cơ chạy bằng sức nước, nó nhận năng lượng dòng nước để quay và kéo rô to máy phát điện quay theo để tạo ra dòng điện Tổ hợp turbine thủy lực và máy phát điện gọi là "Tổ máy phát điện thủy lực" Ở phần này chúng ta chỉ nghiên cứu về turbine thủy lực, thiết bị điều tốc và giới thiệu một số hệ thống thiết bị thủy lực có liên quan

Chương I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TURBINE THỦY LỰC

I 1 PHÂN LOẠI TURBINE THỦY LỰC CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN

Trong quá trình đấu tranh sinh tồn và cải tạo thế giới tự nhiên, loài người đã sớm biết sử dụng các động cơ thủy lực: từ những bánh xe nước dùng vào việc kéo máy xay xát nông sản đến phát triển chúng lên thành những turbin thuỷ lực hiện đại kéo máy phát điện để sản xuất ra điện năng ngày nay Để sử dụng một cách có hiệu quả năng lượng dòng nước đặc trưng bởi tổ hợp cột nước và lưu lượng khác nhau cần phải có đủ những loại turbine khác nhau về cấu tạo, kích thước cũng như quá trình làm việc của chúng

Dựa vào việc sử dụng dạng năng lượng trong cơ cấu bánh xe công tác (BXCT) của turbine người ta chia turbine thủy lực ra làm hai loại: turbine xung kích và turbine phản kích Trong các loại lại chia ra các hệ và các kiểu turbine

Viết phương trình Becnully cho cửa vào (chỉ số1) cửa ra (chỉ số2) của bánh xe công tác turbine, ta có năng lượng viết cho một đơn vị trọng lượng nước như sau:

Z1-Z2 : là thành phần năng lượng do chênh lệch vị trí tạo ra, gọi là vị năng; p1 −p2

γ : là áp năng; gộp vị năng và áp năng thành thế năng ( T ) α1 12 α

2g : là động năng ( Đ )

Từ những thành phần năng lượng trên ta có những loại turbine thuỷ lực sau: * Turbine chỉ sử dụng phần động năng để làm quay BXCT gọi là loại turbine xung

kích Loại này còn gọi là turbine dòng chảy không áp vì dòng chảy trong môi trường

khí quyển nên chuyển động của dòng tia trên cánh BXCT là chuyển động không áp, áp suất ở cửa vào và cửa ra như nhau và bằng áp suất khí tr

ảy òng ệ sau:

ục ( gọi tắt là là turbine tâm trục, hay Franxis);

+ Hệ TB dòng ( gồm turbine dòng nửa thẳng và turbine dòng thẳng );

m việc theo hai chế độ: máy bơm và turbine)

dòng tia trên các cánh bánh xe công tác (BXCT) là chúng ta nghiên cứu cụ thể các

rbine, làm uay BXCT kéo theo trục turbine 5 quay, nước đập vào cánh gáo bị bắn ra hai phía và

được vỏ 6 của turbine gom lại dẫn về hầm xả để tháo về hạ lưu của nhà máy

* Turbine sử dụng cả thế năng và động năng, trong đó phần thế năng là chủ yếu gọi là

loại turbine phản kích Loại này còn gọi là turbine dòng chảy có áp, áp lực dòng ch

ở cửa vào của BXCT luôn lớn hơn áp lực ở cửa ra của nó Dòng chảy qua TB là dliên tục điền đầy nước trong toàn bộ máng cánh Loại này được chia ra các h

+ Hệ TB xuyên tâm hướng tr

+ Hệ TB hướng trục ( gồm turbine cánh quạt và turbine cánh quay ); + Hệ TB hướng chéo;

+ Hệ TB thuận nghịch ( là

I 2 TURBINE XUNG KÍCH

Như trên đã nói, turbine xung kích là loại chỉ sử dụng phần động năng của dòng chảy Ở loại turbine này, dòng nước sau khi ra khỏi vòi phun thì toàn bộ năng lượng dòng chảy đều biến thành động năng để đẩy bánh xe công tác Vì chảy trong môi trường khí quyển nên chuyển động của

chuyển động không áp hay còn gọi là dòng tia tự do Sau đây hệ của turbine xung kích:

I 2 1 Turbine xung kích gáo ( còn gọi là turbine Penton )

Turbine này do người Mỹ tên là Penton đưa ra năm 1880 nên còn gọi là turbine Penton Quá trình hoạt động của turbine gáo như sau (xem hình 1-1): nước từ thượng lưu theo ống áp lực 1 chảy qua vòi phun 2 (ở đây lưu lượng được điều chỉnh trước khi phóng vào cánh BXCT nhờ van kim 7), rồi phóng vào cánh dạng gáo 4 của tu

Hình 1-1 Turbine xung kích gáo

Sau đây chúng ta xem xét cấu tạo và tác dụng các bộ phận chính của turbine gáo (hình 1-2) Vòi phun 1 nhận nước từ ống áp lực biến toàn bộ năng lượng dòng nước thành động năng trước khi đưa vào BXCT và điều chỉnh lưu lượng vào turbine nhờ dịch

Sự phố hợp dịch chuyển van kim và thiết bị tách dòng liên hợp với nhau nhờ cơ cấu liên hợp trong máy điều tốc (xem chương VII -Thiết bị điều tốc của turbine thuỷ lực) chuyển qua lại của van kim 3 đặt bên trong (hình 1-2,a) Turbine gáo cột nước cao và ống áp lực dài còn có bộ phận tách dòng 5 để hướng một phần hay toàn bộ tia nước không cho vào BXCT để tránh hiện tượng nước va xảy ra quá lớn khi đóng nhanh van kim của nó Bộ phận này chỉ làm việc khi cắt giảm phụ tải máy phát điện Khi phụ tải giảm, van kim cần phải nhanh chóng đóng bớt độ mở để giảm lưu lượng thich hợp, tuy nhiên nếu van đóng quá nhanh trong vòi phun sẽ xuất hiện áp lực nước va quá lớn làm bể vòi phun Để giảm trị số áp lực nước va, lúc này máy điều tốc sẽ nhanh chóng nhấc thiết bị tách dòng 5 lên ngắt bớt phần lưu lượng thừa ra khỏi cánh gáo Nhờ vậy lưu lượng vào BXCT vẫn giảm ngay theo yêu cầu giảm tải mà van kim chỉ phải đóng từ từ

i

Hình 1-2 Các bộ phận chính của turbine gáo

Bánh xe công tác của turbine gáo ( hình 1-1 và 1-2b,c ) gồm có đĩa 1 trên chu vi đĩa có gắn các cánh dạng gáo 2 (nên gọi là gáo) Phụ thuộc vào cột nước mà số gáo có từ 14÷60 cánh BXCT có thể là một khối liền khi các cánh gáo và đĩa được đúc thành một khối, và không phải là khối liền khi cánh gáo được đúc riêng và được gắn lên đĩa bằng bu lông hoặc hàn Chính giữa cánh gáo có gân 3 chia gáo làm hai phần bằng nhau để chia tia nước tác động vào gáo thành hai phần đi về hai hướng bắn ra hai bên Đuôi dưới của cánh gáo được khoét hõm 4 để cho tia nước xuyên qua hõm của cánh trước

đập thẳ óc (th o chiề ay đòn của mômen

Hầm xả có nhiệm vụ tập trung nước sau khi đi khỏi BXCT lại để dẫn về hạ lưu Mực nước trong hầm xả phải bảo đảm thấp hơn cao trình thấp nhất của BXCT một khoảng nào đó, thường là bằng đường kính D1 và đặt cao hơn mức nước trong hầm xả

Loại trục ngang thường có công suất bé và có từ một đến hai vòi phun cho mỗi BXCT (hình 1-1,b), số lượng bánh xe công tác trên một trục thường nhỏ hơn ba Loại trục đứng có số vòi phun nhiều hơn, thường hai đến sáu vòi,

quanh BXCT Hình 1-3 là biểu thị turbine gáo trục đứng có sáu vòi phun

Mặt bằng Mặt đứng Hình 1-3 Turbine gáo trục đứng nhiều vòi phun

Turbine gáo sử dụng động năng để quay do vậy cần tạo nên vận tốc dòng phun lớn để tăng công suất turbine, măt khác kết cấu BXCT rất vững chắc do vậy turbine này được sử dụng với cột nước cao lưu lượng nhỏ Turbine gáo loại lớn có phạm vi sử dụng cột nước từ 200÷2000m hoặc hơn nữa, turbine gáo loại nhỏ thì từ 40÷250m Trục turbine gáo có thể đứng (hình 1-3) hoặc ngang Trạm TĐ Bôgôta ở Côlombia đã đạt đến cột nước rất cao H = 2000m, công suất lắp máy N = 500 MW Trạm Raisec ở Úc có cột nước H = 1767m Nước ta có các trạm H = 500÷800m như Vĩnh Sơn và Đa Nhim, sử dụng hệ turbine xung kích gáo

I 2 2 Turbine xung kích hai lần ( turbine Banki )

Turbine xung kích hai lần có phạm vi sử dụng cột nước từ 6÷150m, thường từ 10÷60m Kết cấu của nó rất đơn giản (hình1-4), dễ chế tạo nên được sử dụng rộng rãi ở

, c

các trạm thủy điện nhỏ có lưu lượng bé ột nước vừa, trục thường nằm ngang

Hình 1-4 Turbine xung kích 2 lần

Turbine gồm có vòi phun tiết diện hình chữ nhật 4 được nối liền với đoạn ống chuyển tiếp 8 Vòi có cơ cấu điều chỉnh lưu lượng gồm van phẳng 3 gắn với trục điều khiển 2 có tay quay vô lăng Khi vô lăng quay, trục điều chỉnh sẽ tịnh tiến về phía trước hoặc phía sau làm cho tiết diện ra của vòi phun thay đổi, nên lưu lượng vào turbine cũng được thay đổi theo Bánh xe công tác gồm các cánh cong 7 được gắn giữa các đĩa 6, số cánh từ 12÷48 Trục turbine xuyên qua giữa bánh xe công tác gắn chặt với các đĩa bằng then Vỏ (buồng) 9 dùng để chắn không cho nước từ BXCT bắn ra ngoài Hầm xả 5 có nhiệm vụ dẫn nước về hạ lưu

vòi phun tác dụng vào các cánh phía trên (nhận khoảng chừng 80% năng lượng của hất, xong lại đi vào khoảng trống giữa BXCT rồi lại tác dụng lầ

ư ậy có thể chế tạo turbine với đường kính bé để có vòng quay lớn, do vậy giảm giá thành chế tạo turbine và tổ máy thủy lực

I 2 3 Turbine xung kích phun xiên

T turbine xung kích hai lần gần giống l ừdòng nước) đẩy BXCT lần thứ n

n thứ hai vào cánh trước khi ra khỏi bánh xe công tác (nhận thêm 20÷30% phần

năng lượng còn lại) Cũng chính vì thế ta gọi nó là turbine xung kích hai lần Hiệu suất

của loại turbine này tùy thuộc vào số cánh của BXCT và vào khoảng 80÷85% Ưu điểm cơ bản của turbine xung kích hai lần là có thể chọn đường kính BXCT và số vòng quay turbine trong một phạm vi rộng mà không phụ thuộc vào lưu lượng, bởi vì lưu lượng không chỉ phụ thuộc vào đường kính mà còn phụ thuộc vào chiều rộng BXCT nữa Nhv

kích phun xiên (hình 1-5) có hình dạng giống turbine

ở kết cấu BXCT và hướng của tia nước vào BXCT Tia nước bắn vào BXCT không trực giao với cánh mà làm với cánh một góc α, nhờ thế có thể làm vành ghép mép ngoài của BXCT nên đơn giản hóa được cách ghép cánh vào đĩa Hình dạng cánh loại này cũng dễ chế tạo hơn Nó cho phép gia công hàng loạt bằng cách đập Turbine tia nghiêng ít được sử dụng rộng rãi, nó chỉ được sử dụng ở TTĐ nhỏ có cột nước vào khoảng H = 30÷400m

Hình 1-5 Turbine xung kích phun xiên

I 3 TURBINE PHẢN KÍCH

Turbine phản kích là loại sử dụng phần thế năng và một phần động năng của dòng nước Bánh xe công tác của nó làm việc trong môi trường chất lỏng liên tục và áp lực nước ở phía trước bánh xe công tác lớn hơn phía sau của nó Khi chảy qua rãnh tạo bởi bề mặt cong của các cánh, dòng nước sẽ thay đổi hướng tác dụng lên cánh và làm quay BXCT Dựa vào hướng của dòng nước ở cửa vào và cửa ra BXCT người ta chia turbine làm các hệ: tâm trục, hướng trục, cánh chéo, turbine dòng, thuận nghịch

Hình 1-6 Các bộ phận chính của turbine phản kích

Xét về mặt cấu tạo, bất cứ hệ turbine phản kích nào cũng gồm các bộ phận chính sau: buồng turbine 1, vòng bệ 2, cơ cấu hướng dòng 3, BXCT 4, buồng BXCT 5, ống xả 6, trục và ổ trục 7 và các thiết bị phụ của chúng (hình 1-6)

Sáu bộ phận đầu hình thành bộ phận qua nước của turbine, còn ổ trục và trục là bộ phận kết cấu có nhiệm vụ tiếp nhận và truyền mô men quay từ BXCT đến rôto của

Sau đây chúng ta lần lượt xem xét các bộ phận của turbine phản kích, các hệ turbine khác nhau chủ yếu là bánh xe công tác còn các bộ phận khác nhìn chung giống nhau Việc phân loại TB phản kích dựa vào hướng dòng nước đi vào và ra khỏi BXCT

Bánh xe công tác của turbine tâm trục (turbine Franxis )

Turbine tâm trục (xem hình 1-7) là một trong những hệ TB phản kích được sử dụng rộng rãi nhất Chất lỏng từ buồng 4 qua cánh hướng dòng 3 vào cửa vào cánh 1 BXCT theo hướng xuyên tâm rồi chuyển chuyển hướng 900 và ra khỏi BXCT để vào ống xả

Pháp tên là Franxis hoàn chỉnh năm 1849 nên còn gọ

Hình 1-7 Bánh xe công tác của turbine tâm trục

BXCT của turbine tâm trục gồm có vành trên 14 và vành dưới 13, các cánh 1 có dạng cong không gian ba chiều gắn chặt vào hai vành Số cánh từ 12 đến 22 cánh, thường là 14 đến 18 cánh Thường BXCT được đúc liền thành một khối, trường hợp bị điều kiện vận chuyển hạn chế có thể chế tạo BXCT thành từng phần, khi lắp ráp sẽ dùng các bulông ghép vành trên và đai ghép nóng ở vành dưới của các phần đó lại hoặc hàn

nối các rãnh phân chia Đối với turbine nhỏ có thể dập cánh, sau đó định vị chúng rồi đúc liền vành trên và dưới để được BXCT liền khối vững chắc

Tùy theo cột nước sử dụng, đường kính lớn nhất cửa vào D1 (đường kính tiêu chuẩn) và đường kính lớn nhất cửa ra D2 mà người ta chia turbine tâm trục làm 3 dạng: - Dạng D1 < D2 gọi là turbine tỷ tốc cao loại này dùng với cột nước thấp (H< 80m) vì cấu tạo của chúng có khả năng chịu lực không cao (hình 1-7,b);

- Dạng D 1 > D2 gọi là turbine tỷ tốc thấp (hình 1-7,c) loại này có cấu tạo vững chắc do vậy chúng được dùng với cột nước cao, đã có turbine làm việc với cột nước 550m; - Dạng D1 = D2 gọi là turbine tỷ tốc trung bình, nó là loại trung gian giữa 2 loại trên

Turbine tâm trục có phạm vi sử dụng cột nước thường từ vài mét đến 550m Ở nước Nga, Trạm thủy điện Cracnoarck sử d oại này với công suất mỗi turbin là

ính D1 = 7,5m Ở nước ta, TTĐ sông Đà và Tr đề

tâm trục, TTĐ Hòa Bình dùng 8 turbine tâm trục, công suất mỗi turbine là 240MW, H = 88m

I 3 2 Bánh xe công tác của turbine hướng trục

Gọi là turbine hướng trục vì hướng chảy của dòng nước trong phạm vi BXCT theo hướng trục quay của turbine Trên (hình 1-8) nước từ buồng xoắn chảy qua cột vòng bệ 10 vào cánh hướng nước 3 đổi hướng và chảy vào và ra khỏi cánh 11 của BXCT 1 theo chiều dọc trục và theo ống xả về hạ lưu nhà máy

Hình 1-8 Turbine hướng trục

BXCT gồm có bầu 1 được nối bích với trục turbine 2, xung quanh bầu bố trí các cánh hình vặn vỏ đổ để áp lực nước tác động lên cánh làm quay BXCT Liên kết giữa cánh và bầu theo kết cấu côngxôn nên chịu áp lực thấp, số cánh thường ít do vậy khả năng tháo nước lớn Trong hệ hướng trục dựa vào sự liên kết giữa cánh và bầu người ta chia hệ hướng trục ra hai dạng: turbine có cánh gắn cố định với bầu là turbine cánh quạt, còn turbine cánh có thể quay quanh trục của nó trên bầu là turbine cánh quay

1 Turbine cánh quạt

BXCT của turbine cánh quạt (hình 1-9) gồm có bầu, có gắn từ 3 đến 9 cánh, thông thường là 4 đến 8 cánh Cánh có thể chế tạo liền với bầu tạo thành một khối thống nhất hoặc chế tạo riêng biệt sau đó gắn chặt vào bầu bằng bulông Khi đi qua các mặt cong của cánh, dòng nước buộc phải đổi hướng chuyển động do đó tạo ra một áp lực tác

Hình 1-9 BXCT của turbine cánh quạt

dụng lên cánh làm quay BXCT Nhược điểm của loại BXCT này là có đường đặc tính công tác dốc, do vậy khi lưu lượng, cột nước hoặc công suất thay đổi lệch với chế độ thiết kế thì hiệu suất turbine sẽ giảm đi rất nhanh Đối turbine tỷ tốc cao chỉ cần lưu lượng giảm đến còn 45% lưu lượng tính toán thì hiệu suất và công suất có thể giảm đến không Do vậy nên cho turbine cánh quạt đảm nhận công suất và cột nước ít thay đổi Turbine cánh quạt được sử dụng ở Trạm thuỷ điện có cột nước H = 1,5÷40m, hiện nay thường dùng ở TTĐ nhỏ, tuy rằng đã có turbine dạng này đường kính đạt đến 9 m

2 Turbine cánh quay ( Kaplan )

Turbine cánh quay (hình 1-10) là loại ra đời sau cánh quạt Năm 1924 giáo sư người Tiệp tên là Kaplan đã cải tiến thành công turbine cánh cố định thành cánh quay được, nên turbine này còn được gọi là turbine Kaplan Nhờ cánh có thể quay được xung uanh bầu, do vậy thích ứng được các chế độ làm việc khác chế độ thiết kế dẫn đến vùng làm việc của turbine v Do vậy TB cánh quay có khả năng làm việc với công suất và cột nướ đổi nhiều BXCT của TB cánh quay q

ới hiệu suất cao được mở rộngc thay

gồm có: bầu, cánh, chóp thoát nước và bộ phận quay cánh xung quanh BXCT Bầu phải có hình cầu để giảm bớt khe hở giữa cánh với bầu khi quay cánh Chóp thoát nước có tác dụng làm cho nước chảy khỏi BXCT thuận dòng hơn và giảm được tác dụng mạch động Khi làm việc, các cánh BXCT hướng trục chịu tác dụng áp lực nước ở dạng sơ đồ chịu lực kiểu dầm côngxôn do không có vành dưới, tại nơi tiếp giáp cánh với bầu chịu mômen uốn lớn nhất Người ta đã đo được áp lực nước tác dụng lên một cánh có thể đạt tới 240 tấn Do vậy phải sử dụng động cơ tiếp lực dầu cao áp mới quay được cánh

Bộ phận quay cánh gồm trục cánh 6 (hình 1-10,b), động cơ tiếp lực 4, hệ thống thanh truyền 7 Tay quay 8 được nối với trục cánh 6, còn thanh truyền có chốt nối liền

u có áp vào một ngăn nào đó của xi còn ở ngăn kia dầu thông với lỗ dầu xả thì pittông lẫn thanh truyền 7 sẽ dịch lên píttông 5 của động cơ tiếp lực với tay quay Pittông 5 chia xi lanh của động cơ tiếp lực làm hai ngăn: trên và dưới Dầu có áp từ thiết bị dầu áp lực qua hai ống dẫn đồng tâm lồng vào nhau nằm bên trong trục tổ máy Khi dầ

Hình 1-10 Turbine Kaplan

xoay các cánh theo các góc quay như nhau So với turbine cánh uạt thì turbine cánh quay được dùng với cột nước thấp hơn do khả năng chịu lực của nó có yếu hơn Cùng với turbine tâm trục, turbine cánh quay được sử dụng rất rộng rãi Ngày nay thế giới đã có những turbine cánh quay cực lớn, như ở TTĐ Xaratôp ở Nga có đường kính tiêu chuẩn D1 = 10,3m, cột nước thiết kế H = 9,7m, với công suất N = 59,3MW, vòng quay định mức n = 50 vòng/phút, trọng lượng 1229tấn Turbine ở trạm TĐ Porto Primavera ở Brasil có D1 = 8,6m, N = 105MW, cột nước H = 22m

hoặc xuống, do đó làmq

I 3 3 Turbine cánh chéo

Hình 1-11 Turbine cánh chéo

trên Turbine cánh chéo được sử dụng ở các TTĐ có cột nước H = 30÷150m Nó thuộc h quay BXCT gồm 10 đến 14 cánh được gắn vào bầu 3 hình chóp nhờ ục cánh 2 Trục cánh làm 0,450,600 nên dòng chảy trong XCT héo góc với ay, các cánh BXCT quay được

oại turbine này đã TĐ Buctamin có công suất N = 77MW, cột nước H = 61m, đ

Turbine cánh chéo (hình 1-11) được ra đời chậm hơn các loại turbine trên, nó là loại trung gian giữa tâm trục và hướng trục Nó kết hợp được các ưu điểm của hai hệ turbine loại turbine cán

các tr với trục turbine một góc 30B c trục Cũng như turbine cánh qu

quanh trục của nó, nhờ cơ cấu quay cánh gồm vành sao 5 và thanh truyền 4 nằm trong bầu nên hiệu suất bình quân của nó cao hơn turbine tâm trục ở hầu hết các chế độ làm việc Mặt khác số cánh BXCT của turbine này nhiều hơn so với turbine cánh quay nên có thể làm việc với cột nước cao hơn mà vẫn không bị khí thực L

được chế tạo ở Nga dùng cho T

ường kính D1 = 4,35m, n =150 vòng/phút

Ngoài ra, TB cánh quay làm việc với cột nước thấp, muốn chịu được cột nước cao hơn thì phải tăng số lượng cánh BXCT của nó lên từ 6 đến 10 cánh Như vậy bầu BXCT phải có đường kính lớn Để có thể tăng số cánh mà không phải tăng đường kính thì tốt hơn hết là trên mỗi trục cánh lắp hai cánh kép (hình1-12) Loại này đã được lắp đặt ở nhà máy thủy điện Thác Bà với đường kính D1 = 4,5m, H = 32m

Hình 1-12 Bánh xe công tác của turbine cánh kép

I 3 4 Turbine dòng

Turbine dòng gồm hai loại: dòng c y thẳng và nửa thẳng Turbine dòng thực

hiệu suất cao hơn so với turbine phản đến 30% do khả năng tháo nước a nó Turbine cap xun được sử dụng rộng i ở Nga, Nhật, Mỹ ở các sông vùng đồng bằng hoặc ở các TTĐ thủy triều Trạm TĐ Trereparec có công suất mỗi turbine N = 20MW, H = 14,9m Trạm thuỷ điện có turbine cáp xun lớn nhất là Kiev có N = 320MW

chất là turbine cánh quay trục ngang, nên BXCT của nó hoàn toàn giống turbine cánh quay Loại này dùng với cột nước rất thấp và lưu lượng rất lớn

1 Turbine dòng nửa thẳng (hình 1-13), turbine này còn gọi là turbine Capxun

Tổ máy có turbine trục ngang nối liền trục với trục máy phát điện đặt trong bọc kín bằng kim loại 1 (gọi là cáp xun) có dạng thuận dòng Cáp xun chứa máy phát điện có thể nằm trước BXCT hoặc nằm sau BXCT trong ống hút thẳng 2 Các cánh hướng dòng 3 thuộc loại hướng tâm hoặc hình chóp Stator thuộc loại và cùng với các trụ tựa sẽ truyền tải trọng tổ máy lên móng máy Liên hệ giữa các thiết bị đặt trong cáp xun với gian máy bằng các tháp 4 Turbine cap xun có

kích khác rã

Hình 1-13 Tổ máy cáp xun

Ở turbine dòng thẳng (hình 1-14), dòng nướ ồng turbine hình trụ tha r t ận hướng dòng 2 và tác độn T u theo t R m y phát điện 4 đượ ắn vào mú cánh d q

và máy ơm tr

thì cũng chính là rotor quay Turbine dòng thẳng có cấu tạo phức tạp, đặc biệt là ở các vòng đệm chống thấm vòng quanh mà hiệu suất không cao hơn turbine hướng trục bình thường mấy, nên ít được sử dụng Trạm thuỷ điện Ortatran ở Liên Xô cũ sử dụng turbine này với công suất turbine N = 6,3MW, cột nước H = 10,5m

I 3 5 Turbine thuận nghịch

Turbine thuận nghịch được dùng trong " tổ máy hai máy" ở các TTĐ tích năng, có khả năng làm việc ở hai chế độ: bơm nước và phát điện Tổ máy gồm có hai máy: turbine thuận nghịch và máy điện ( "máy phát điện - động cơ điện") làm việc ở 2 chế độ máy phát và động cơ Tổ máy loại này thay cho các loại tổ máy làm việc ở các chế độ riêng biệt không kinh tế hoặc " tổ máy ba máy " Nguyên lý làm việc của turbine

b ái ngược nhau, do vậy để làm việc ở một chế độ cụ thể phải chỉnh chiều quay cánh thích hợp với từng chế độ làm việc Sau đây là một ví dụ về turbine Capxun thuận nghịch (hình 1-15) Turbine này gồm có các bộ phận chính sau: BXCT 1 là TB thuận nghịch có khả năng thay đổi góc nghiêng cánh theo hai chế độ bơm hoặc turbine; cơ cấu

Hình 1-15 Turbine Capxun thuận nghịch

ướng dòng (CCHD) 2 dạn i chế độ bơm hay turnine; được gắn cố định vào bêtông nhà máy nhờ các cột 3 g hình côn thay đổi phù hợp vớ

"bóng đèn" (capxun) 4 kín nước,

Bên trong cápxun 4 bố trí trục tổ máy trên ổ tựa 6 và ổ chặn 7 và "máy phát - động cơ" 8 Giếng thông 5 được dùng để đặt cáp điện, đường ống dẫn dầu v.v đến động cơ trợ động của BXCT và lên xuống gian máy phía trên BXCT thuận nghịch có đường kính

5,35m, bốn cánh quay xung quanh bầu với các góc từ -5 đến +35 so với vị trí tính toán Với công suất 10 MW lưu lựơng bơm được là 105 m3/s khi H = 6m và 225 m3/s khi H = 1m; lưu lượng lớn nhất ở chế độ turnie là 230 m3/s Vòng quay n = 97,75 v/p, máy phát - động cơ đồng bộ, có điện áp 3,5 kV

Chương II CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA TURBINE THUỶ LỰC

Ở chương I chúng ta nghiên cứu khái quát về các loại turbine và tính năng ứng ứu cụ thể hơn về cấu tạo, công dụng

bộ phận chính ine

ệ

ểu stator : kiểu cột đỡ riêng rẽ và kiểu vòng (a) ử dụng kiểu vòng để tăng độ cứng, còn kiểu cột ng rẽ

dụng của từng loại turbine Chương II sẽ nghiên c

của các bộ phận chính của turbine và tìm hiểu các xác định kích thước của chúng Ngoài BXCT, các bộ phận chính của turbine gồm: thiết bị dẫn nước (buồng turbine), thiết bị tháo nước (ống xả), phần tĩnh (stator), cơ cấu hướng dòng (CCHD) v.v

II 1 VÒNG BỆ, CƠ CẤU HƯỚNG DÒNG, TRỤC CỦA TB PHẢN KÍCH

Như trên đã nói, ngoài BXCT, turbine phản kích còn có nhữngrục và ổ trục của turbsau đây: vòng bệ của turbine, cơ cấu hướng dòng, t

II 1 1 Vòng bệ (Stator) của turbine:

Vòng bệ của turbine (hình 1-6 và 2-1) là phần cố định của turbine, có tác dụng máy, sàn và btruyền xuống móng nhà máy các tải trọng gồm trọng lượng toàn bộ tổ

máy phát điện, áp lực nước dọc trục tác dụng lên BXCT và khối bê tông phủ lên nó v.v Stator bao gồm một số cột chống 2 với tiết diện ngang hình đường dòng, liên kết với vành đỡ trên 1 và dưới 3 Có hai ki

của turbine Trong bảng: Da, Db là đường kính ngoài và trong của vòng bệ, b0 là chiêu cao cánh hướng dòng (bảng 6-5 và 6-6 chương VI), Z0 là số lượng cánh hướng dòng

II 1 2 Cơ cấu hướng dòn

ồng turbine 1 chảy vòng qua các cột stator 2, chảy qua khe hở giữa

- Điều chỉnh lưu lượng nước vào turbine, do đó thay đổi công suất của turbine Bộ phận CCHD gồm có hai thành phần chính: các cánh hướng dòng hình lưu tu

cơ cấu quay cánh Mỗi cánh hướng nước có thân 3 và trục cánh 5 Đầu trên trục cánh được lồng vào các lổ khoét ở nắp TB, còn đầu dưới thì được lắp vào vành dưới, nhờ đó các cánh có thể quay được quanh trục của nó để thay đổi độ mở a0 của CCHD Khi cánh hướng nước đóng hoàn toàn a0 = 0, để giảm

n quay cánh hướng dòng gồm có các chi tiết: nắp turbine 6 chứa ổ trục trên của cánh, vòng dưới chứa ổ trục dưới của cánh, các cánh hướng 3 và cơ cấu tay quay 7 Độ mở a0 dược thay đổi như nhau cho các cánh nhờ vòng điều chỉnh 8 của CCHD Nhờ chuyển động tịnh tiến hai cần 10 của hai động cơ tiếp lực 9 của máy điều tốc mà vòng điều chỉnh 8 xoay, kéo theo CCHD xoay để dẫn vào BXCT lưu lượng yêu cầu

Hình 2-2,b là sơ đồ đơn giản của CCHD dùng cho TB nhỏ trục đứng buồng hở Nước từ buồng hở qua khe hở giữa các cánh 2 vào BXCT 11 Điều chỉnh độ mở a0 theo yêu cầu nhờ trục diều khiể

òng điều chỉnh 8 tác thay đổi trục 4 làm cánh hướng 2 xoay quanh trục 10 của nó

Hình 2-2 Bộ phận xoay CCHD

II 1 3 Ổ trục và trục turbine:

Trục turbine được dùng để truyền mô men xoắn từ BXCT đến rôtor máy phát ống dẫn dầu (đối với cánh quay), ẫn khí

điện Trục turbine trục đứng bên trong rỗng để lắp các

d xuống BXCT để phá chân không cho turbine tâm trục và đường dây điện v.v

Ổ trục định hướng để định tim trục, được bôi trơn bằng dầu hoặc bằng nước Loại bôi trơn bằng nước thường được lắp ở trên nắp turbine Loại bôi trơn bằng dầu khoáng thì tấm bạc của ổ trục làm bằng hợp kim babít

Hình 2-3 là đồ thị xác định đường kính trục turbine Đường kính trục phụ thuộc vào mômen xoắn của dòng chảy Mkp = 97400.N/n ( kGcm)

Trong đó N (kW) và n (vòng/phút) Có Mkp tra ra đường kích trục turbine DB (mm)

Hình 2-3 Biểu đồ quan hệ đường kính trục và công suất turbine

nh lượng chảy vòng tại cửa vào CCHD Buồng turbine cần bảo đảm những yêu cầu chính sau:

- Dẫn nước đều đặn lên chu vi các cánh hướng dòng để tạo nên dòng chảy đối xứng ới trục quay c

- Thuận tiện cho việc bố trí turbine và thiết bị phụ của nó trong gian máy của TTĐ òn không đều ổ trụ

à đường

II 2 THIẾT BỊ DẪN NƯỚC CỦA TURBINE

Thiết bị dẫn nước (buồng turbine) là phần nối công trình dẫn nước của trạm thủy điện với turbine và hình thà

v ủa turbine

- Tổn thất thủy lực trong buồng và đặc biệt là trong CCHD nhỏ nhất - Dễ nối tiếp với đường dẫn của trạm thủy điện

- Buồng có kích thước giảm nhỏ và kết cấu đơn giản

- Áp lực tác dụng lên BXCT đều nhau để tránh m c

Dựa vào cột nước và công suất của TTĐ mà buồng turbine có các kiểu: buồng hở, buồng hình ống và buồng xoắn ốc

II 2 1 Loại buồng hở của turbine

Buồng hở là loại đơn giản nhất thường dùng cho cột nước H = 5÷6 m v

kính D1 < 1,2 m , giới hạn cột nước lớn nhất là 10 m và đường kính D1 = 1,6m Sở dĩ có giới hạn sử dụng trên vì khi cột nước và đường kính lớn thì kích thước của buồng rất lớn, trục turbine dài và áp lực nước trên thành buồng sẽ lớn Vì vậy loại buồng này chỉ

Hình 2-4 Buồng turbine hở

dùng cho turbine nhỏ Buồng hở có thể làm bằng gỗ, gạch hoặc đá xây hay bằng bêtông Buồng hở có thể trục đứng hoặc trục ngang và hở chử nhật hoặc hở xoắn Buồng hở chữ nhật dễ tạo nên dòng xoáy ở các góc làm tăng tổn thất cột nước Để khắc phục nhược

ày nên dùng buồng hở xoắn Hình 2-4 thể hiện hình thức các loại buồng hều rộng của buồng lấy theo kinh nghiệm A = B = (3- 4).D , độ nhúng

Loại này thường dùng với cột nước H = 6÷7

là m loại chứa các bộ phận của turbine (hình 2-5): chóp nón hướn

ớc vào thuận dòng, các cánh hướng dòng 1, BXCT đặt phía trong CCHD Hình của buồng giống một nồi xúpde, nửa trước 5 nối với ống áp lực 7, nửa sau 2 ch a cụm BXCT và nối với đoạn khuỷu cong 8 của ống xả 12 Trụ trục 10 đưa ra ngoài buồng và đặt nằm ngang Loại này dùng với turb rục ngang, loại turbine nhỏ Đườ g kính lớn nhất uồng lấy eo

Khi ϕ max = 3450÷3600 thì gọi là góc bao hoàn toàn (hình 2-7,a), còn ϕ max < 3450 gọi là

Phân loại b tùy thuộc vào góc bao max ϕ max của buồng xoắn , đây à được tính từ ti ϕ = 0) đến tiết diện cửa vào của buồng xoắn (ϕ = buồng xoắn không hoàn toàn ( hình 2-6,c )

rộng gian máy đã cho ) phụ thuộc vào quan hệ giữa tiết diện cửa ào buồng xoắn đã chọn góc bao Khi tiết diện cửa vào đã chọn, nếu tăng góc bao, một đ y đối í

ối tiếp giữa ường ống áp lực với buồ g xoắn

Kết quả thí nghiệm mô hình cho thấy, tổn thất năng lượng trong turbine, vòng bệ và CCHD ( khi chiều

mặt sẽ làm cho dòng chảy phân bố đều chu vi CCHD, bảo đảm ược dòng chả

x ưng lại làm tăng vận tốc dòng nước trong ph

thành dòng chảy xoáy, kết qu làm tăng tổ thất năng lượng trong CCHD Qua thnghiệm mô hình BXCT đã chọ với các loại uồng xoắn khác nhau người ta lựa chọn loại buồng xoắn lợ

b ax = 180 Vì vậy đối với TTĐ có c t nước thấp ( kiểu lòng sông ) để gi

xây d ng TTĐ nên chọn góc bao 180 ÷192 Đối với TTĐ có cột nước trung bình v0 0

tiết diện càng lớ

t, còn tiết diện tròn sẽ lớn nhất và tỉ số chiều cao trên chiềun thì mặt bằng gian máy càng nhỏ

Tỉ lệ giữa chiều cao và chiều rộng a tiết diện hình chữ T (hình 2-7) nên chọn theo cấ bằng, kiểu phát triển lên trên so với

kết hợp và nếu động cơ tiếp lực đặt ngay trên nắp turbin mà không bố trí ở hầm turbine

trong buồng sẽ kém và khó b ì tăng khoảng cách ục tổ máy Kiến nghị dùng như sau: δ = 20÷350 và thường lấy 300 Nói chung, khi

khác kiến nghị chọn như sau: khi m = 0 hoặc n = 0, b/a = 1,5÷1,85 Khi m và n ≠ 0 thì củ

u tạo của buồng xoắn, có thể chọn kiểu trần

trục của CCHD kiểu phát triển xuống dưới hoặc kiểu sàn bằng Các trị số m và n chủ yếu lựa theo yêu cầu bố trí phần dưới nước của nhà máy, nó không ảnh hưởng mấy đến điều kiện thủy lực Khi n = 0 (tức trần bằng) hoặc m > n thì có thể giảm thể tích khối bê tông phần dưới nước của nhà máy và dễ bố trí động cơ tiếp lực và có thể rút ngắn khoảng cách giữa các trục tổ máy Tiết diện chữ T phát triển lên trên so với trục CCHN chỉ nên dùng khi ở phía dưới buồng xoắn có bố trí đường hầm xả nước của TTĐ xả lũ

không nên quá nhỏ, vì nếu lấy quá nhỏ tố trí động cơ tiếp lực, nếu quá lớn thtr

m thì γ = 20÷350 còn khi m > 0÷200; khi n = 0, γ = 10÷150 Các giá trị b / a không quá 2÷2,2 Theo quan điểm thủy lực thì tiết diện chữ T đối xứng hoặc gần đối xứng có tốt hơn chút ít

Hình 2-7 Các ti ện c ữ T củ ồng xoắn bê tông ta giả thiết:

là dòng ết di h a bu

Buồng xoắn làm nhiệm vụ dẫn nước vào BXCT và hình thành đặc tính của dòng chảy trước mép vào CCHD Để thiết kế buồng xoắn người

- Dòng chảy trong buồng xoắn là dòng chảy dừng, đối xứng qua trục quay và thế; lưu lượng qua tiết diện bất kỳ Qilấy theo góc ϕilà: Qi =Qtt ϕi ;

đổi sao ành phần vận tốc hướng m Cr

cho các đường dòng trong buồng xoắn không đổi Th

tâ phân bố đều theo chu tuyến trước mép vào cánh hướng dòng: Cr = tta

QD b

(trong đó: Qtt là lưu lượng của turbine, Da là đường kính ngoài của cánh hướng dòng, b0

là chiều cao cánh hướng dòng)

Việc tính toán kích thước buồng xoắn tiến hành trên cơ sở turbine đã được chọn, tìm ra kích thước mặt cắt và quan hệ giữa chúng và góc Hiện nay có những phơng pháp tính toán sau:

* Phương pháp mômen tốc độ vòng là hằng số Vu.r = K; Phương pháp này dòng

c i xứng qua trục, dòng có thế và bỏ qua tổn thất dòng chảy N

với buồng xoắn có góc bao ϕmax=180 360− 0 , vì nếu góc nhỏ hơn thì điều kiện dòng về toán

là hằng số Vu = K; Phương pháp này giả thiết tốc độ

ư nhau Nó chưa đủ lập luận khi ành lập vì nó có những thiếu sót sau:

+ Dòng chảy tính toán theo phương pháp này không hoàn toàn phù hợp thực tế; Tuy nhiên qua nghiên cứu thấy đối vớ iều kiện xo ương pháp này phù hợp hơn ng pháp Vì g pháp n ho T ước thấp, b ng xoắn bê tông góc bao nhỏ giai đoạn thiết kế ộ

* Ph ng pháp tốc độ vòng giảm dần từ cửa vào Vu đến cửa ra từ (0,6÷0,8)Vu; Phương pháp này có nh c điểm là tính đối xứng của dòng chảy bị phá h i, nhưng giảm thước b xoắn V ó chỉ dùn ine cột n

ồng xoắn theo hai phương pháp đầu chảy sẽ không còn đối xứng qua trục Phương pháp này khá chính xác và thuận học nên được áp dụng rộng rãi;

đủ đ vậy phươn

ắn thì phày dùng tốt cphươ u.r = K.

1 Tính toán thuỷ lực mặt cắt buồng xoắn theo phương pháp Vu.r = K

Bước này được thực hiện sau khi đã chọn góc bao ϕmax và hình thức buồng

xoắn Dựa vào nguyên tắc đã nêu ta đi thành lập công thức chung: là tốc độ trung

= k

Gọi Qtt là lưu lượng lớn nhất qua mỗi turbine;

bình trong mặt cắt buồng xoắn, xác định theo: tb

V H ( H = 2m thì k = 1; H = 300m thì k = 0,5) hoặc theo đồ thị (hình 2-9,a) ới yêu c hu vi cơ cấu hướng dòng, vì vậy nếu gọ là góc nào đó ứng với tiết diện cần tìm thì lưu lượng qua nó là

360 , diện tích mặt cắt tương ứng là i i

360 ; tương tự với ϕmax ta có:

Nếu cắt một dãi bất kỳ có bề rộng dr, chiều đứng b thì diện tích phân tố dF = b.dr, vậy:

; vì Vu.r = K nên Vu = K/r, vậy ta có:

Q = ∫dQ= ∫V b dr .

r b dr Kb

r drQ

360ϕ ( 2-1 )

Hình 2.8 Sơ đồ lập công thức tính toán buồng xoắn

Sau đây ta áp dụng những công thức trên để tính toán cụ thể cho hai loại buồng xoắn: ặt cắt tròn ( hoặc ellipsse) và buồng xoắn mặt cắt đa giác

ròn (hoặc ellipsse):

h 2-9,b), nghĩa là phải xác định ra được quan hệ m

a Tính toán buồng xoắn mặt cắt t

Nội dung của việc tính toán buồng xoắn là vẽ ra được đường bao xoắn và xác định mặt cắt ngang của buồng xoắn (hìn

giữa góc ϕi, bán kính Ri và diện tích mặt cắt ngang tương ứng Fi Từ (2-1) đặt i

ttGọi bán kính măt cắt cửa vào (ứng với ϕmax ) là ρmax =

rϕ

2ra icϕ

2ra ic

Các bước tính toán lập bảng 2-2 như sau: - Chọn góc bao ϕmax

như đã trình bày trên;

- Từ bảng 3 tra ra kích thước đường kính trong và ngoài của vòng bệ CCHD;

- Xác định mặt cắt buồng xoắn cửa vào Fmax định ra ρmax tính ra hằng số c theo (2-3) - Định ra các góc ϕi từ 0 đến ϕmax và tương ứng tính ra ρi theo (2-2) và xác định Ri

ừ quan hệ ϕi ~ Ri vẽ ra đường xoắn và từ quan hệ ρi ~ Ri vẽ mặt cắt ngang tương ứng em (hình 2-9,b)

Tx

Hình 2-9 Tính toán buồng xoắn mặt cắt tròn hoặc ellipse

b Tính toán buồng xoắn mặt cắt đa giác

Từ lưu lượng lớn nhất ở cửa vào buồng xoắn Qmax và kinh nghiệm chọn được chi tiết kích thước ( m, n, bo , tỷ số b/a, các góc δ ,γ ) tính ra diện tích mặt cắt cửa vào Fmax và dựa vào tốc độ trung bình Vu định ra mặt cắt lớn nhất Các mặt cắt khác coi như xếp chồng tỳ lên trên các đường AC và EH ứng với các Ri khác nhau từ Rmax đến ra

(hình 2-10) AC và EH có thể quan niệm theo đường thẳng hoặc đường cong bậc hai hoặc ba.Thực tế quan niệm đường cong hợp lý hơn Sau đây là cách tiến hành tính toán:

Hình 2-10 Sơ đồ tính buồng xoắn đa giác

Từ Qi = K.Si ta cần tìm iraRi

r dr

= ∫ Ta có thể dùng phương pháp đồ giải để xác định Si là diện tích của b/r và r Do vậy trước tiên ta cần phải vẽ các đường quan hệ r ~ b/r ( là các đường mnab của mặt c cửa vào, đường miniab của mặt cắt thứ i, v.v ) dựa theo tính toán ở bảng tính 2-3 Cách tính toán như sau:

- Ứng với mặt cắt cửa vào ABCHDE ta định các ri ( từ Rv đến rb ) và tương ứng đo được bi rồi tính ra bi/ri, dùng cột r ~ b/r vẽ ra các đường mnab (hình 2-10);

Hình 2-9a

- Ứng với mặt cắt khác ta cũng làm tương tự và dùng cột r ~ b/r vẽ các đường khác Đo diện tích giới hạn giữa các đường vừa vẽ và trục r ta sẽ có được Si tương ứng Với Smax ta tính ra được hằng số K = Qmax/Smax và tính ra ϕi theo công thức:

- Với từng r có Q và đo được diện tích F, tính

Từ các đường này ta dễ dàng tra và vẽ đường xoắn và mặt cắt buồng xoắn

2 Tính toán buồng xoắn theo phương pháp Vtb = K

Trong tính toán buồng xoắn theo quy luật Vu.r = K cho ta vận tốc trung bình tại các tiết diện sẽ khác nhau, điều này dẫn đến tổn thất thuỷ lực dọc chiều dài buồng xoắn khác nhau như vậy trị số cột nước khác nhau, gây nên tải trọng lên BXCT không đều làm mòn ổ trục và gây rung động máy Cột nước càng thấp thì càng ảnh hưởng xấu này càng lớn, do vậy A.A Berêrơnôi đưa ra phương pháp tính này Phương pháp sử dụng được áp dụng với H < 40 m Phương pháp Vtb = K coi tốc độ dòng nước qua các mặt cắt buồng xoắn không đổi và bằng Vtb có thể lấy theo biểu đồ (hình 2-9,a)

a Tính toán với buồng xoắn mặt cắt tròn ( hoặc ellipsse)

Nội dung và các bước tính toán:

- Chọn góc bao của buồng xoắn, thường với mặt cắt tròn và ellipsse lấy lớn;

- Sơ bộ xác định các kích thước vòng bệ và CCHD, có thể lấy theo các bảng 2-1 và các bảng 6-5, 6-6 ở chương VI

Bảng 2-4 Bảng tính toán buồng xoắn mặt cắt tròn theo V = hằng số

Cột 3: Bán kính mặt cắt tròn ( hoặc bán kính nhỏ của ellipsse ) tính theo công thức:

ϕϕ

b Tính toán buồng xoắn đa giác

Việc tính toán buồng xoắn mặt cắt đa giác theo phương pháp Vtb = K tiến hành các bước (xem hình 2-11,b) dưới đây:

- Chọn góc bao ϕmax và hình thức mặt cắt như đã trình bày ở các phần trước; - Tra các bảng 2-1, 6-5 và 6-6 để xác định các kích thước b0, Da, D ;

- Dựa vào Qtt và Vtb tra ra tiết diện mặt cắt cửa vào buồng TB:

Cột 3: Đo diện tích mặt cắt Fi tương ứng với Ri ( phần gạch chéo ) và ghi vào cột 3;

Cột 4: Từ công thức tính diện tích mặt cắt cưả vào Fmax và mặt cắt thứ i Fi :

VtbQtt

i tt itb

lập tỷ lệ Fi/Fmax ta có

(2-7), là quan hệ đường thẳng, do vậy có Fi tính ra tương ứng ϕi, ghi vào cột 4

mặ nga a xoể tiệ ử ng

quan dụ ta

ệ ϕ ~ dự để vẽào bả 7

ường x vẽ cá

ắn của

c đư ệ F ~a vào q

~ R (hình uan hệ

R vẽ t cắt ng củ buồng ắn

II 3 T

lượng n

- Sử dụng òng chảy sau khi ra khỏi BXCT;

ước tĩnh Hs (gọi là độ chân không tĩnh) tính từ mặt cắt cửa ra

BXCT

HIẾT BỊ THÁO NƯỚC CỦA TURBINE THUỶ LỰC

t bị tháo nươc (ống xả hay còn gọi là ống h

phản kích Nó có nhiệm vụ tháo nước từ BXCT xuống hạ lưu

hỏ nhất Ngoài ra ống xả trong turbine phản kích có những tác dụng sau đây: thêm phần lớn động năng còn lại của d

- Tận dụng thêm cột n

đến mực nước hạ lưu ở hầm xả nước

Để xác định giá trị và ý nghĩa của ống xả ta viết phương trình năng lượng cho 3 trường hợp: không có ống xả, ống xả trụ tròn và ống xả hình nón cụt (hình 2-12) rồi so sánh

Hình 2-12 Các sơ đồ tính toán so sánh vai trò ống xả

Viết phương trình Becnuly cho trườ hợp a) không có ống xả cho hai mặt cắt ở mặt thoáng 1-1 và mặt cắt cửa ra BXCT 3-3, lấy mực nước ở kênh tháo 0-0 làm chuẩn nếu bỏ qua tôn thất cột nước trong buồng h và vì áp lực ở mặt thoáng 1-1 và 3-3 đều bằng áp suất khí trời p1 = p3 = pat , vận tốc c chảy trên mặt thoáng 1-1 coi như bằng không V1= 0, vậy cột nước có thể sử dụng được là Ha:

T), chỉ số 5 tương ứng cửa ra của ống xả Từ công thức ∆H ta thấy: năng lượng

ống xả gồm: thành thứ nhất là thêm cột nước tĩnh Z ký hiệu là Hs gọi là ”

chân không tĩnh ”, thành phần thứ hai bao gồm hai phần còn l

động” Thành phần thứ nhất có liên quan đến thiết kế công trình, cụ thể là việc chọn cao

trình đặt turbine, thành phần thứ hai gắn liền với cấu tạo của ống xả Hiệu suất ống xả được biểu thị qua hiệu quả thu hồi động năng ở cửa ra BXCT sau:

5 nghĩa là tiết diện cửa ra D5 phải lớn hơn tiết diện ở cửa vào D3 Nếu tiết diện cửa vào bằng hoặc lớn cửa ra thì dẫn tới hiệu suất âm

- Giảm tổn thất thủy lực h3-5 trong ống xả

Hai khả năng trên có liên quan trực tiếp lẫn nhau, mở rộng tiết diện cửa ra càng lớn với mong muốn thu hồi động năng càng nhiều thì lại làm tăng tổn thất thủy lực trong ống xả và ngược lại Do vậy cần lựa chọn hợp lý về tiết diện và chiều dài, góc côn của ống xả, đồng thời xét đến điều kiện kết cấu, khối lượng phần dưới nước v v Trong thực tế phát sinh những loại ống xả khác nhau (hình 2-13) :

Hình 2-13 Các loại ống xả

- Ống xả trục thẳng: ống xả hình nón cụt (hình 1 trong hình 2-13) và ống xả trục thẳng có tiết diện thay đổi ( hình 12 va13 trong hình 2-13);

- Ống xả loe: ống xả loe thẳng ( hình 2 ), ống xả loe kín ( hình 3 trong hình 2-13); - Ống xả loe lỏi giữa ( hình 4 trong hình 2-13);

- Ống xả cong ( hình 5,6,7 trong hình 2-13);

- Ống xả khuỷu dùng cho turbine nhỏ trục ngang (hình 8,9,10,11 trong hình 2-13)

Sau đây chúng ta xem xét một số loại ống xả thường gặp hơn cả trong thực tế

II 3 1 Ống xả hình nón cụt

loe θ và tỷ s

xả đạt từ giảm V5 sẽ tăng c ống xả cần phải xem xé

ố giữa chiều dài L và đường kính cửa vào D3 của ống xả Thí nghiệm mô hình cho kế quả rằng góc loe θ = (10÷14)t 0 và L/D3 = (3÷4) thì hiệu suất ống

60÷85% Việc giữ góc loe trong phạm vi có lợi nhưng lại kéo dài L đểhối xây lắp phần dưới nước của nhà máy Do vậy việc chọn kích thướk

t cả về mặt hiệu suất lẫn khối lượng đào và xây lắp phần dưới nước của nhà máy Việc quyết định kích thước kênh xả hạ lưu còn cần phải đảm bảo đủ kích thước để dễ thoát nước từ ống xả về hạ lưu Các kích thước sau đây (hình 2-14,c) tối thiểu phải bằng:

ặt nước hạ lưu trong hầm xả ít nhất từ 0,3÷0,5 m Đ

ạn n o n nón cụt và ạn m m ngang có

cấu tạo và kích thước biến đổi phức tạp: tiết diện vào của đoạn khuỷu có dạng hình tròn,

i nh chữ n t tại c a ra c 0 nón ảy ở tiết diện vào của khuỷu và hình dạng của nó Lực li tâm sinh ra khi dòng nước chảy vòng trong đoạn khuỷu sẽ gây nên sự tách dòng và tăng thêm tổn thất Bán kính chuyển động xoay của dòng nước càng lớn thì lực li tâm và građiên áp lực trong dòng chảy càng nhỏ Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến tổn ăng lượng trong đoạn khuỷu là tỷ số giữa diện

này và sự thay đổi diện tích tiết diện men theo hiều dài của nó Ở Liên xô cũ người ta đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm với 3 iết diện ngang tăng dần; khuỷu có iện tích tiết diện không đổi và khuỷu có diện tích tiết diện tăng dần rồi đến đoạn nằm ư ống xả nón cụt, tổn thất năng lượng trong đoạn ống này phụ thuộc vào góc loe và độ cao tương đối h / D3 và độ mở rộng của đoạn ống này

Đoạn cong: là đo ối tiếp giữa đ ạ đo ở rộng nằsau đó biến đổi dần sang t ết diện hì hậ ử ủa nó với góc quay 90 Trị số tổn thất năng lượng trong khuỷu không lớn hơn so với tổn thất tcụt và trong đoạn nằm ngang Tổn thất ở đây phụ thuộc vào sự phân bố dòng ch

rong

thất na đoạntích cửa ra và diện tích cửa vào củc

dạng khuỷu khác nhau sau đây: khuỷu có diện tích td

ngang gần tiếp giáp với đoạn mở rộng nằm ngang thì giảm dần Kết quả cho thấy loại khuỷu sau cùng tốt hơn hai loại trên

ộ dựa vào hệ số tỷ tốc và kiểu cụt Tiết diện ngang của đoạn mở rộng có dạng hình

đoạn này được thực hiện nhờ biện pháp nâng cao dần tr1

Đối với ống hút dạng cong, trong thiết kế sơ bturbine ta có thể tra ra loại ống xả (bảng 2-6, hình 2-15)

ảng 2-6 Kích thước chính của ống xả cong ( đơn vKiểu

- Bảng 2-6 ghi kích thước của ống xả có ường kính BXCT D1 = 1m, kích thước ống xả của turbine có đường kính D1 ≠ 1m sẽ bằ g kích thước trong bảng nhân với D1; - Phạm vi sử dụng ứng với kí hiệu trong ng 2-6:

(a): cho các kiểu turbine: CQ30, CQ40, (CQ577, CQ587 hệ cũ có tỷ tốc thấp); (b): cho các kiểu turbine: CQ20, CQ30, (CQ577, CQ510 hệ cũ có tỷ tốc trung

: cho các kiểu turbine: TT15, TT75, TT115, TT170, (TT638, TT82, tỷ tốc trung bình và cao);

(g): cho các kiểu turbine: cho các kiểu turbine: TT(TT533, TT246 hệ cũ có tỷ tốc thấp)

II 4 3 Ống xả khuỷu

Turbine nhỏ trục ngang thường dùng ống xả khuỷu cong Dòng nước sau khi ra khỏi BXCT có phương song song với trục TB và đi vào phần trên của khuỷu Sau đó dòng nước lại đi vào phần dưới của khuỷu cong 1 và bị đổi hướng từ ngang sang đoạn côn thẳng đứng 2 hoặc xiên góc với phương thẳng đứng ( hình 2-139,11 và 2-16):

Ống xả khuỷu cong (hình 2-17) gồm đoạn khuỷu cong 2 nối với buồng hình ống 1 và đoạn hình nón cụt thẳng đứng 5 Do đổi hướng dòng chảy gần 90 độ khi qua nó, và trường hợp nếu có trục xuyên qua khuỷu thì dòng chảy còn bị khuấy do vậy loại này tổn thất thuỷ lực lớn dẫn đến hiệ suất ống xả giảm thấp xuống còn 40 - 45%.Vì vậy loại ống x ỷu dùng cho tổ máy trục ngang thuỷ n nhỏ

Đối với turbine nhỏ nón cut trục đứng và ống hút trục ngang dựa vào tài liệu chế tạo cho sẵn trong khối turbine, do vậy có thể tra theo turbine cụ thể

Hình 2-16 Ống xả khuỷu

À TÁC HẠI CỦA NÓ

ận TB sẽ bị rung động mạnh, hiệu suất, khả năng òng chảy tại những vùng có chân không xuất hiện Nếu i

hiệt độ và các phản ng các ọt khí

TB ên thường xảy ra

phải đảm bảo turbine vận hành không xảy ra khí thực trong mọi chế độ làm việc Tuy

Chương III HIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC TRONG TURBINE THỦY LỰC

III.1 HIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC V

Khí thực là một hiện tượng vật lý phức tạp trong dòng chảy khi qua turbine Khí thực phá hoại bề mặt các cánh BXCT và các bộ phận qua nước khác của TB Khi xảy ra khí thực sẽ có tiếng động, các bộ ph

thoát nước và công suất của TB sẽ bị giảm đột ngột

Một trong những nguyên nhân chính để xuất hiện khí thực là mạch động mạnh của áp động lực ở những vị trí d

trong một khu vực nào đó của dòng chảy, áp lực lực giảm xuống đến áp lực hóa hơ(phh) thì tại đó nước sẽ bốc hơi và hình thành các bọt khí, trong đó chứa đầy không khí và hơi nước Các bọt đó bị cuốn vào vùng có áp lực cao hơn áp lực hóa hơi, ở đó hơi nước bị ngưng tụ đột ngột với thể tích bé hơn rất nhiều lần so với thể tích của bọt khí Vì vậy các phần tử nước ở xung quanh lập tức tràn vào lấp chỗ trống với vận tốc cực lớn Tại trung tâm của các bọt khí, các phần tử đó gặp nhau và đột ngột dừng lại, làm áp lực đột biến tăng lên đến hàng trăm, hàng nghìn át mốt phe Sau đó, vì va chạm mạnh ở trung tâm các bọt khí, các phần tử đó lại bắn trở ra làm cho áp lực ở trung tâm bọt khí cũ lại giảm xuống Như vậy, áp lực tại điểm đó lại bị giao động theo thời gian và bị cộng hưởng và khi đó áp lực có thể đạt đến một trị số rất lớn: 1500 át mốt phe Nếu các bọt khí xuất hiện gần bề mặt kim loại và bê tông tiếp xúc với dòng nước thì sẽ làm phá hoại các bề mặt đó như bị các viên đạn sắc nhọn bắn vào Nếu các bọt khí không bị phá vỡ ở các bề mặt của phần dẫn dòng thì do có chấn động mạnh, và nước sẽ chuyển các chấn động đó đến các bề mặt của phần dẫn dòng cũng sẽ bị phá họai Ngoài ra khi có khí thực còn thấy xuất hiện hiện tượng điện phân do chênh lệch n

ứng hóa học làm cho kim loại nhanh chóng bị oxy hóa,bởi ôxy có rất nhiều trob

Trong turbine phản kích tại mép ra và bên dưới mặt cánhTB, tại buồng BXCT củacánh quay, vành BXCT turbine tâm trục là nơi có vận tốc lớn và áp lực bé n

khí thực và bị khí thực phá hoại Ở TB xung kích gáo, khí thực thường xảy ra ở vòi phun, nơi có vận tốc lớn và áp lực bé

III 2 NHỮNG BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG KHÍ THỰC

Khí thực xuất hiện cùng với việc tăng vận tốc của dòng chảy, đầu tiê

ỏ, sau đó phát triễn thành vùng lớn hơn Trong turbine không cho phép khí giảm nhanh c

ết của turbinđộng mạnh có thể bị cộng hưởng làm há ho

thực sẽ bị phá hoại Cho nên từ khâu thiết kế đến việc lựa chọn turbine, bố trí lắp đặt và cuối cùng là vận hành turbine cần xem xét kỹ vấn đề này:

- Trong việc thiết kế turbine: Các chi tiết là việc ở vùng dễ xảy ra khí m thực nên làm bằng kim loại có tính chống khí thực cao Ví thép không rỉ có hàm lượdụ ng crôm chím từ 12÷14% Ngoài ra, bề mặt các chi tiết đó cần chế tạo nhẵn để hạn chế bớt sự xuất hiện của khí thực Mặt khác, để tăng đ c tính tốt v hống khí thực thì phải tăng số lượng cánh hay

- Về mặt thiết k Chọn loại BXCT ư chọn chiều ca

hiên tro thự ế yêu cầu tu việc hoàn toàn không có khí thực thường không kinh tế

áo turbine để sửa ự

- Về mặt vận hành: nếu phát hiện khí thực

p khắc phục Một trong những biện pháp có hiệu a không khí có áp lực bằng hoặc cao hơn áp lực không kh bên goài ào vùn ưới BXCT càng gần trục turbine càng tốt Một

vì phải đặt turbine sâu nên làm tăng khối lượng phần dưới nước của nhà máy khá nhiều Vì vậy nhà máy chế tạo turbine thường cho thêm một chiều dày kim loại dự trữ cho những bộ phận dẫn dòng của turbine có thể bị phá hoại do khí thực gây ra Những bộ phận có thể thay thế bằng cách hàn tại chỗ mà không th

chữa thì mới cho phép bị phá hoại do khí th c

như giảm hiệu suất đột ngột, tổ máy bị rung động mạnh thì cần tìm biện phá

quả là mở van phá chân không để đưí n v g ngay d

biện pháp khác để khắc phục khí thực là làm tăng tổn thất thủy lực ống xả Biện pháp này tuy có làm giảm hiệu suất turbine tuy vậy nhưng lại tăng an toàn của turbine

Tóm lại để khắc phục hiện tượng khí thực phải có sự phối hợp tất cả các biện pháp trong chế tạo turbine, trong thiết kế lựa chọn và trong vận hành turbine

III 3 ĐIỀU KIỆN XẢY RA KHÍ THỰC VÀ HỆ SỐ KHÍ THỰC

Để thiết lập phương trình biểu thị điều kiện xảy ra khí thực trong vùng BXCT của turbine ta giả thiết có mặt cắt x - x (hình 3-1) nào đó, gần mếp ra 2 - 2, có xảy ra áp suất thấp Xét một dòng nguyên tố qua turbinr và viết phương trình Becnulli cho hai mặt cắt x - x và 2 - 2:

= (áp suất khí trời) Trong ba công thức trên: hX-2 và h2-5 là tổn thất cột nước tương ứng x - x đến 2 - 2 và 2 - 2 đế

Trong công thức (3-1) gọi: Zxlà "độ chân không tĩnh " hay " độ cao hút nước"

và ký hiệu là HS = Zx; phần trong hai dấu ngoặc là " độ chân không động" Gọi hệ số

khí thực σ là tỷ giữa độ chân không động và cột nước H, vậ

22

px pa Hs H

γ = γ − −σ ≥ phh; rút ra σ ≤ a

s hh

Từ điều kiện chuẩn nhiệt độ bình thường (150 - 300) thì áp suất hoá hơi khoảng (0,18÷0,43m cột nước), lấy phh= 0,33m, áp suất khí trời là Ha = 10,33m cột nước, mực nước ∇ = 0 thay vào công thức trên ta có điều kiện để độ cao hút nước HS không sinh khí thực là:

∆σ tra theo biểu đồ (hình 3-2); ệ số k lấy k = 1,05 - 1,1 H

Hình 3-2 Quan hệ ∆σ = f(H)

III 4 XÁC ĐỊNH CAO TRÌNH ĐẶT TURBINE

Ở trên đã trình bày nguyên nhân và điều kiện xảy ra hiện tượng khí thực Một nh

đkhông xảy ra xâm thực ở chế độ thiết kế Đối với mỗi loại turbine thì chiều cao hút

ực nước ạ lưu (hình 3-3,a), còn cao trình e lm lấy ở cao trình qua gi

trong những điều kiện để không phát sinh khí thực trong turbine là cao trình đặt turbine phải đảm bảo HS ≤ [ HS] Tuy nhiên việc chọn điểm x là điểm giả thiết có áp lực nhỏ nhất thường không thể xác định chính xác được, nên thường quy đị vị trí của nó là nơi có thể xảy ra áp suất nhỏ nhất và tại đó có tính đến một đại lượng dự trữ an toàn ể nước quy ươc H ng khác nhau (hình 3-3) như sau:

- Turbine hướng trục và hướng chéo trục đứng thì HS lấy từ tâm trục cánh đến mực nước hạ lưu (hình 3-3,c), còn cao trình đặt turbine ∇lm lấy ở cao trình qua giữa CCHD; - Turbin tâm rục trục đứng thì He t Slấy từ mép dưới cánh hướng dòng đến m

- rbine trục ngang, HS là khoảng cách từ điểm cao nhất của ống hút tới mực nước hạ lưu (hình 3-3,b), còn cao trình đặt turbine ∇lm lấy ở cao trình qua tim trục turbine