II. THIẾT KẾ TUA-BIN NƯỚC
Cánh hướng
2.4.2. Đặc tính của tua-bin Francis và vùng công tác
Hình 3.8 minh họa đường cong làm việc (đường cong hình mai rùa) của tua-bin kiểu Francis. Trục tung của đồ thị là Qn/Qiiopt và trục hoành là nn/n1Iopt. Qh và nB có thể tính theo cơng thức liên hệ với D và H. Qllopt và nllopt tương ứng là Qn và nH ứng với điểm làm việc có hiệu suất cao nhất của tua-bin. Trong hình vẽ, "a" là góc mở của cánh hướng, và aopt cũng là độ mở cánh hướng ứng với điểm làm việc có hiệu suất cao nhất. Tốc độ quay (n) của tổ máy thực tê' là trị số khơng đổi, vì đây là các máy phát đồng bộ, trong thực tế đường cong càng nằm ra ngồi thì cột nước hữu ích càng thấp.
Tài liệu chuyên đê'bảo dưỡng sửa chữa tua-bin nước
Vùng làm việc của tua-bin Francis được giới hạn bởi các điều kiện về hiệu suất, xâm thực, xung lực trong ống hút của chúng. Vùng làm việc của tua-bin có cột áp và lưu lượng nước có thể thay đổi và được xác định theo đặc tính. Các đường cong hình mai rùa như trên hình 3.8 thường được sử dụng để xác định mối quan hệ giữa hiệu suất và lưu lượng nước, cột áp hữu ích, tốc độ quay, và góc mở của cánh hướng.
a) Xâm thực
Xâm thực bánh công tác tại cửa vào xảy ra trong chế độ làm việc ở phía trái (phía có cột nước cao) đường cong (1), bởi vì góc của dịng chảy lớn hơn so với góc của bánh cơng tác. Xâm thực đôi khi trở nên nghiêm trọng hơn do sự xuất hiện áp xuất âm phá họai các bánh công tác. Xâm thực đơi khi xảy ra gần bánh cơng tác phía có áp suất dương tại cửa vào trong điều kiện làm việc phía phải (phía có cột nước thấp) của đường đặc tính (2), bởi vì góc của dịng chảy nhỏ hơn so với góc của cánh hướng. Nhưng xâm thực ở đây thường khơng gây hại do có sự chảy tách rời ở bánh cơng tác. Có thể vận hành ổn định với dải rộng hơn của cột nước hữu ích làm việc cho phép, khi khoảng cách giữa hai đường cong (1) và (2) lớn hơn. Khoảng cách giữa các đường cong này với tốc độ cao là tương đối nhỏ, bởi vì Qh có trị số lớn tại đầu ra của bánh công tác.
Nếu Qn/Qnopt nhỏ hơn 0,7 (hình 3.8), xốy nước xảy ra trong các bánh cơng tác. Hiện tượng xốy nước này xuất hiện trong tình trạng làm việc với lưu lượng nước thấp. Khi lưu lượng nước giảm dưới một mức độ nhất định, vận tốc của dòng chảy dọc theo đỉnh bánh công tác cũng giảm và xuất hiện vùng nước chết (dịng chảy sẽ làm tróc vỏ đỉnh bánh cơng tác). Dịng xốy xuất hiện giữa dịng nước chính và khu vực tróc ra trong khoảng khơng giữ các bánh cơng tác. Tiếng kêu sự phát triển của dịng xốy phụ thuộc vào mức độ giảm lưu lượng nước. Bề dày của dịng xốy sẽ lớn hơn ở phía áp suất thấp (đầu ra của phía hút bánh cơng tác), và dịng xốy này có thể tiếp xúc với bề mặt của bánh cơng tác. Tinh trạng này có thể tiếp diễn trong thời gian dài, làm cho hiện tượng xâm thực phá họai phần tiếp xúc và các vị trí tâm xốy.
b) Xung lực trong ống hút s
Xung lực trong ống hút xảy ra trong ống hút phía trên khi tua-bin nước có cánh cố định (Ví dụ: tua-bin nước Francis) được vận hành trong điều kiện tải thành phần. Đường (3) trong hình 3.8 minh họa các điều kiện vận hành tốt khơng có các phần tử chuyển động quay trong dịng nước từ phía ra của bánh cơng tác. Ở phía trái và phía trên của đường cong (3), dòng chảy quay xuất hiện ngược chiều với chiều quay của
Chương III. Công nghệ chê tạo tua-bin nước
bánh cơng tác. Ớ phía phải và phía dưới của đường cong, dòng chảy quay cùng chiều với chiều quay của bánh cơng tác. Khi dịng chảy quay xuất hiện trong ống hút, tâm nước chết xuất hiện tại phần cuối của dịng xốy. Tâm nước chết sẽ chuyển động lên trên làm cho dịng xốy dày hơn và ngắn lại khi lưu lượng nước giảm. Trong trường hợp này, dịng nước xốy là kiểu định ốc, trên bề mặt của tâm nước chết với dòng quay của dịng chính. Áp lực phía trong dịng xốy so với áp lực xung quanh dịng xốy, và sự chuyển động quay này của dịng xốy đinh ốc gây ra sự dao động áp lực trong ống hút (bởi vì dịng xốy chuyển động lúc gần, lúc xa tường ống hút). Dao động áp lực là xung lực trong ống hút. Xung lực lớn xảy ra trong ống hút trong các tình trạng làm việc giữa các đường (4) và (5), và phía bên trái, phía trên của đường (6). Xung lực này đôi khi vượt quá 10% cột nước hiệu dụng gây ra tiếng ổn và rung. Nói chung, các xung lực này xuất hiện trong khoảng 70 4- 20% lưu lượng khơng chuyển động quay, và nó đạt giá trị cực đại trong khoảng 50 4- 40%.
c) Hiệu suất
Trên quan điểm hiệu suất lớn nhất, hiệu suất của tua-bin nước giảm trên cả hai phía nH thấp (= phía cột nước cao) và nn cao (= phía cột nước thấp), và cả hai phía Qii thấp và Qn cao. Vì vậy, đường cong làm việc của tua-bin nước dường như có hình mai rùa và chúng có thể được gọi là đặc tính hình mai rùa. Nhìn chung tua-bin nước có tốc độ định mức cao, có đặc tính hiệu suất tốt trong tình trạng thay đổi cột nước hiệu dụng, và tua-bin nước có tốc độ định mức thấp có đặc tính hiệu suất tốt khi trong tình trạng thay đổi lưu lượng nước.