THIẾT BỊ DẪN VÀ THOÁT NƯỚC
4.1. Thiết bị dẫn nước (buồng turbin - buồng xoắn)
4.1.3. Tính toán thuỷ lực buồng xoắn
1/ Mục đích:
Nhiệm vụ tính toán thuỷ lực buồng xoắn chủ yếu là xác định các yếu tố cơ bản của buồng turbin: Hình dáng đường bao quanh bên ngoài của buồng xoắn, kích thước tiết diện vào và quy luật thay đổi các tiết diện tiếp theo của buồng xoắn.
Tính toán đảm bảo tổn thất thuỷ lực là nhỏ mà vẫn không làm tăng chi phí xây dựng nhà máy. Các phương pháp tính toán thuỷ lực buồng xoắn:
+ Phương pháp vận tốc bình quân trong buồng xoắn không đổi: (Vu = const) Phương pháp này giả thiết tốc độ trung bình của dòng nước tại tất cả các điểm trên cùng một mặt cắt hay tốc độ trên tất cả các mặt cắt khác nhau là bằng nhau, nhưng thực tế chất lỏng có vận tốc là không bằng nhau do có tổn thất theo chiều dài buồng xoắn dẫn đến các tiết diện sẽ có trị số cột nước khác nhau, áp lực nước tác dụng lên BXCT làm cho ổ đỡ bị mài mòn không đều gây ra sự rung động, vì thế phương pháp này tuy tính toán đơn giản nhưng nó chỉ phù hợp với TTĐ cột nước thấp góc bao ϕmax≤ 1800.
+ Phương pháp vận tốc bình quân trong buồng xoắn giảm dần: Coi vận tốc tại tiết diện cửa vào là Vcv, vận tốc tại tiết diện tiếp theo của buồng xoắn là (0,5 ÷ 0,7).Vv, phương pháp này sai số lớn nên ít dùng .
+ Phương pháp mômen vận tốc bằng hằng số: (Vu.r = K = const)
Vận tốc Vu tại các điểm cách trung tâm trục một bán kính như nhau thì bằng nhau nhưng trên cùng một tiết diện Vu giảm dần khi R tăng. Phương án này tính toán phức tạp, nhưng chế độ thủy lực trong buồng xoắn phù hợp hơn cả. Vì vậy phương pháp này thường dùng để tính toán cho TTĐ cột nước cao góc bao φmax >
180o.
Với TTĐ T2 đang thiết kế có góc bao φmax = 210o, cột nước tính toán Htt = 47 m, nên tôi chọn phương pháp mô men tốc độ bằng hằng số để tính toán.
2/ Trình tự tính toán:
• Xác định các thông số ban đầu:
+ Chọn hình dạng tiết diện buồng xoắn: Ta chọn buồng xoắn có tiết diện kiểu trần bằng để có thể giảm thể tích khối bê tông phần dưới nước của nhà máy, rút ngắn khoảng cách giữa các trục tổ máy và dễ bố trí động cơ tiếp lực.
+ Kích thước buồng xoắn: Với turbin CQ60/642 có D1 = 3,2 m, tra bảng (5- 5) ta có:
D1(m) Do(m) Zo(cánh) Db(m) Da(m) D4(m) R(m) h1(m) h2(m)
3,2 3,75 24 4,37 5,0 5,1 0,3 0,4 0,3
⇒ ra 2,5 2 5 2
Da = =
= m rb 2,185 2
4,37 2
Db = =
= m.
Với n = 0 thì: γ = 10 ÷ 15o, ta chọn: γ = 14o. 1,5 1.85
a b
cv
cv = ÷ , ta chọn: 1,6 a
b
cv
cv = .
Chiều cao cánh hướng nước: bo = 0,35.D1 = 0,35.3,2 = 1,12 m.
• Xác định kích thước tiết diện vào:
+ Vận tốc cửa vào (Vcv): Vận tốc cửa vào buồng xoắn ảnh hưởng đến hiệu suất turbin. Nếu chọn Vcv lớn thì tổn thất thuỷ lực trong buồng xoắn sẽ tăng, làm giảm hiệu suất của turbin nhưng nếu chọn quá nhỏ sẽ làm tăng kích thước buồng xoắn. Ta chọn Vcv theo công thức kinh nghiệm:
Vcv = kx. Htt Trong đó: Htt: Cột nước tính toán (Htt = 47 m);
kx : Hệ số kinh nghiệm xét đến tổn thất thuỷ lực và kích thước kinh tế của buồng xoắn (kx = 0,8 ÷ 1,1), ta lấy kx = 0,9.
⇒ Vcv = 0,9. 47 =6,17 m/s.
+ Lưu lượng chảy qua mặt cắt cửa vào: Qcv =
360 . Q max
T ϕ
Trong đó: QT : Lưu lượng tính toán chảy qua turbin, được xác định theo công thức:
tt 2 1 ' 1tt
T Q .D . H
Q = =1,002.3,22. 47 = 70,34 m3/s.
⇒ Qcv =
360 70,34.210 360
. QT max
ϕ =
= 41,03 m3/s.
+ Diện tích tiết diện cửa vào:
Fcv = 6,65 6,17
41,03 V
Q
cv
cv = = m2.
Mặt khác ta có: Fcv = acv.bcv .tgγ 2
) b (bcv − o 2
− + (ra – rb).bo
⇒6,65=1,6.a2cv cv 2 .tg14o 2
) (1,6.a −1,12
− +(1,6.acv–1,12)2.tg(14o)+(2,5 – 2,185).1,12 Giải phương trình trên ta được: acv = 2,077 m.
⇒ bcv = 1,6.acv = 1,6.2,077 = 3,323 m.
+ Xác định hằng số K: K
∫
= cv b
r
r cv
r b(r) Q
cv
a k k
a cv cv b o a r
r
r m .lnr .cotg r r
.lnr r b
.lnr r b
b(r)
cv b
+
− +
∫ = γ
Với: mcv = bcv – bo = 3,323 – 1,12 = 2,203 m.
rk = ra + mcv.tgγ = 2,5 + 2,203.tg(14o) = 3,05 m.
rcv = ra + acv = 2,5 + 2,077 = 4,577 m.
⇒ 3,05 ) 2,203 1,934
5 , 2
577 , ln4 . 323 ,
3 − + =
+
∫ = 2,5
.ln3,05 .cotg(14
2,185 1,12.ln 2,5
r
b(r) o
r
r
cv b
⇒ K ∫
= cv b
r
r cv
r b(r) Q
21 , 934 21 ,
1 =
= 41,03
• Xác định các giá trị của các tiết diện tiếp theo:
+ Chọn quy luật thay đổi của các tiết diện tiếp theo: Ta chọn quy luật thay đổi vị trí các tiết diện tiếp theo là quy luật đường thẳng.
+ Phương pháp tính toán:
- Giả thiết các bán kính ri (ri = rb ÷ rcv).
- ai = ri – ra = ri +2,5m
- mi 2,077
.2,203 a
a .m
a i
cv cv
i =
=
- bi = bo + mi = 1,12m + mi
- rk = ra + mi.tgγ = 2,5m + mi.tg(14o) - Fi = ai.bi – mi.(ri – ra)
- ∫i = + − +
b
r
r i
a k k
a i b
o a m
r cotgγ r r r
bln r r
lnr b r dr
b(r) ln
- φi = ∫i = ∫
b
i b
r
r
r
T r
r dr .21,21. b(r) 70,34
dr 360 r K b(r) Q
360
Kết quả tính toán được thể hiện qua bảng sau:
ri(m) ai(m) mi(m) bi(m) rk(m) Fi(m2) ∫i
b
r
r
r dr
b(r) φi
2.185 0.0 0.000 1.12 0.000 0.00 0.00
2.2 0.0 0.000 1.12 0.017 0.01 0.83
2.3 0.0 0.000 1.12 0.129 0.06 6.24
2.4 0.0 0.000 1.12 0.241 0.11 11.41
2.5 0 0.000 1.120 2.500 0.353 0.151 16.37
2.6 0.1 0.106 1.226 2.526 0.474 0.198 21.53
2.7 0.2 0.212 1.332 2.553 0.614 0.251 27.26
2.8 0.3 0.318 1.438 2.579 0.772 0.309 33.52
2.9 0.4 0.424 1.544 2.606 0.948 0.371 40.29
3 0.5 0.530 1.650 2.632 1.143 0.438 47.54
3.1 0.6 0.636 1.756 2.659 1.356 0.509 55.24
3.2 0.7 0.742 1.862 2.685 1.588 0.584 63.37
3.3 0.8 0.849 1.969 2.712 1.838 0.662 71.91
3.4 0.9 0.955 2.075 2.738 2.106 0.745 80.84
3.5 1 1.061 2.181 2.764 2.393 0.830 90.14
3.6 1.1 1.167 2.287 2.791 2.699 0.919 99.79
3.7 1.2 1.273 2.393 2.817 3.022 1.011 109.79
3.8 1.3 1.379 2.499 2.844 3.364 1.106 120.11
3.9 1.4 1.485 2.605 2.870 3.725 1.204 130.73
4 1.5 1.591 2.711 2.897 4.104 1.305 141.66
4.1 1.6 1.697 2.817 2.923 4.501 1.408 152.88
4.2 1.7 1.803 2.923 2.950 4.917 1.514 164.37
4.3 1.8 1.909 3.029 2.976 5.351 1.622 176.12
4.4 1.9 2.015 3.135 3.002 5.804 1.733 188.13
4.5 2 2.121 3.241 3.029 6.274 1.846 200.39
4.577 2.077 2.203 3.323 3.049 6.650 1.934 209.99
Từ kết quả ở trên ta vẽ được hình bao buồng xoắn như hình vẽ: