Tuabin nước - Chương 1: Khái niệm chung và phân loại tuabin

Nội dung text: Tuabin nước - Chương 1: Khái niệm chung và phân loại tuabin

1. ` Chương 1 : KHÁI NIỆM CHUNG & PHÂN LOẠI TUABIN 1.1 Tuabin nước và sự phát triển của nó Hiện nay ngành năng lượng học đang phát triển mạnh. Người ta tích cực tìm kiếm những nguồn năng lượng khác nhau để sử dụng cho các ngành kinh tế. Trong đó năng lượng truyền thống : than, dầu, khí đốt, hạt nhân, thuỷ điện được coi là các dạng năng lượng cơ bản; còn năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thuỷ triều và năng lượng thuỷ điện cực nhỏ là những dạng năng lượng mới. Thuỷ năng – năng lượng của dòng chảy sông suối là một dạng năng lượng được con người sử dụng từ rất lâu. Hàng nghìn năm trước, ở Ai Cập, Ấn Độ, Trung Quốc, người ta đã dùng bánh xe nước đơn giản sử dụng động năng của dòng chảy. Tuy nhiên mãi tới thế kỷ thứ XVI thì việc sử dụng năng lượng nước mới tương đối rộng rãi và bánh xe nước mới có những cải tiến lớn và phát triển đến ngày nay. Máy thuỷ lực là danh từ chung chỉ các thiết bị dùng để chuyển hoá năng lượng chất lỏng thành cơ năng trên các cơ cấu làm việc của máy (bánh xe công tác, pittông ) hay ngược lại. Tuabin nước là một loại máy thuỷ lực, biến năng lượng của chất lỏng (ở đây là dòng nước) thành cơ năng trên trục quay của tuabin để quay máy phát điện hay các cơ cấu máy khác. Tuabin nước được lắp đặt tại NMTĐ để chuyển hoá năng lượng nước thành cơ năng và cơ năng được chuyển hoá thành điện năng nhờ máy phát điện, khi nước từ thượng lưu chảy theo đường dẫn tới tuabin, rồi chảy ra hạ lưu. A. Cửa lấy nước B. Đường ống áp lực C. Tuabin 1. Đập 2. Cửa nhận nước 3. Van sự cố đường ống Các mố néo 4. Ống hút 5. Kênh hạ lưu 6. Van tuabin Hình 1-1: Sơ đồ một NMTĐ Nhà máy thuỷ điện có hàng loạt ưu điểm : - Hiệu suất của NMTĐ có thể đạt được rất cao so với nhà máy nhiệt điện. - Thiết bị đơn giản, dễ tự động hoá và có khả năng điều khiển từ xa. - Ít sự cố và cần ít người vận hành. - Có khả năng làm việc ở các chế độ phụ tải thay đổi - Thời gian mở máy và dừng máy ngắn. - Không làm ô nhiễm môi trường. 1
2. ` Mặt khác, nếu khai thác thuỷ năng tổng hợp, kết hợp với tưới tiêu, giao thông và phát điện thì giá thành điện sẽ giảm xuống, giải quyết triệt để hơn vấn đề của thuỷ lợi và môi trường sinh thái của một vùng rộng lớn quanh đó. Vốn đầu tư xây dựng NMTĐ đòi hỏi lớn hơn so với vốn xây dựng nhà máy nhiệt điện. Nhưng giá thành một kWh của thuỷ điện rẻ hơn nhiều so với nhiệt điện nên tính kinh tế chung vẫn là tối ưu hơn. Tuy nhiên, người ta cũng không thể khai thác nguồn năng lượng này bằng bất cứ giá nào. Xây dựng công trình thuỷ điện thực chất là một sự chuyển đổi điều kiện tài nguyên và môi trường. Sự chuyển đổi này có thể tạo ra các điều kiện mới, giá trị mới sử dụng cho các lợi ích kinh tế xã hội nhưng nó cũng có thể gây ra những tổn thất về xã hội và môi trường mà chúng ta khó có thể đánh giá được hết. Người ta chỉ khai thác thuỷ năng tại các vị trí công trình cho phép về điều kiện kỹ thuật, có hiệu quả kinh tế sau khi đã so sánh giữa lợi ích và các tổn thất. Ở những thành phố và khu công nghiệp lớn thường phải sử dụng kết hợp nhiều nhà máy nhiệt điện, điện nguyên tử và thuỷ điện. Chúng cần làm việc đồng bộ với nhau và sao cho đạt hiệu quả cao nhất. Hình 1-2 là biểu đồ công suất điện sử dụng cho một ngày đêm. Biểu đồ bao gồm những vùng chính I - điện cho những thiết bị dùng điện của các nhà máy phát điện. II - điện sinh hoạt, dân dụng. III - điện cho các cơ quan làm việc giờ hành chính. IV - điện cho các phương tiện giao thông. V - điện cho các cơ sở làm việc hai ca. VI - điện cho các cơ sở làm việc ba ca Hình 1-2 : Biểu đồ công suất điện sử dụng theo ngày Các thông số đặc trưng của biểu đồ : Nmax – công suất lớn nhất trong ngày, tính bằng MW, còn gọi là đỉnh của biểu đồ. Nmin – công suất nhỏ nhất trong ngày, tính bằng MW Ntb – công suất trung bình ngày, tính bằng MW. Trong biểu đồ, phần nằm dưới giá trị NMTĐmin là vùng cơ bản, phần nằm giữa NMTĐmin và Ntb là vùng trung bình, phần nằm giữa Ntb và Nmax là vùng đỉnh. Vùng cơ bản do các nhà máy điện nguyên tử và nhiệt điện cung cấp. Vùng đỉnh do các nhà máy thuỷ điện cung cấp. Còn vùng trung bình do sự điều tiết của từng địa phương. Ở những nơi có trạm thuỷ điện tích năng thì vùng đỉnh và vùng trung bình do nhà máy thuỷ điện tích năng đảm nhiệm. Trong NMTĐ, tuabin nước thường được nối với máy phát điện. Máy phát điện nối với tuabin nước gọi là máy phát điện thuỷ lực, khối máy bao gồm tuabin nước ghép với máy phát điện gọi là tổ máy thuỷ lực, thường gọi tắt là tổ máy. Hình 1-3; 1-4 là kết cấu tổ máy thuỷ điện lớn đặt đứng. 2
3. ` Máy phát điện Tuabin Hình 1-4 : Tổ máy phát điện tuabin 3
4. ` 1.2 Sơ đồ các kiểu nhà máy thuỷ điện : Trong thực tế có 3 phương pháp tập trung năng lượng của dòng nước tương ứng với 3 sơ đồ nhà máy thuỷ điện (hình 1-5; 1-6; 1-7) : Nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông, nhà máy thuỷ điện đường dẫn, nhà máy thuỷ điện tổng hợp. a. Nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông (hay sau đập) Để tập trung năng lượng, người ta dùng đập cột áp H là độ chênh mực nước trước và sau đập (tương ứng thượng và hạ lưu). Đập có hồ chứa nước lớn để điều tiết lưu lượng của dòng sông. Hình 1-5 : Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu lòng sông 1- bờ sông; 2- lưới chắn rác; 3- dòng thượng lưu; 4- âu thuyền;; 5- cửa xả nước không tải; 6-7- đập đất; 8- nhà máy thủy điện; 9- dòng chảy hạ lưu Nhà máy thường đặt sau đập đối với cột nước lớn, hoặc là một bộ phận của đập đối với cột nước nhỏ. Các trạm thủy điện với phương pháp tập trung năng lượng bằng đập gọi là nhà máy kiểu lòng sông hay sau đập. Nó áp dụng cho các con sông ở đồng bằng, trung du nơi có độ dốc lòng sông nhỏ, lưu lượng sông lớn. Trong thực tế, chiều cao của đập bị hạn chế bởi kỹ thuật đắp đập và diện tích bị Hình 1-6 : Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn ngập. Cột áp ở các trạm thủy điện này không lớn, thông thường không lớn hơn 30  40m. Nhà máy thủy điện Thác Bà trên sông Chảy là nhà máy thủy điện kiểu lòng sông có cột áp H = 37 m, N = 120 MW (ba tổ máy). b. Nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn Nước được ngăn bởi một đập thấp rồi chảy theo đường dẫn (kênh, máng, tuynen, ống dẫn) đến nhà máy thủy điện. Ở đây cột áp cơ bản là do đường dẫn tạo nên, còn đập chỉ để ngăn nước lại để đưa vào đường dẫn. Kiểu NMTĐ này thường dùng ở các sông suối có độ dốc lòng sông lớn và lưu lượng nhỏ. 4
5. ` Nhà máy thủy điện Đa Nhim (Ninh Thuận) có cột nước H = 800m, N = 160 MW (bốn tổ máy) là nhà máy kiểu đường dẫn. c. Nhà máy thủy điện kiểu tổng hợp Năng lương nước được tập trung là nhờ đập và cả đường dẫn. Cột áp của trạm gồm 2 phần : một phần do đập tạo nên, phần còn lại do đường dẫn tạo nên. Nhà máy kiểu này được dùng cho các đoạn sông mà ở trên sông có độ dốc nhỏ thì xây đập ngăn nước và hồ chứa, còn ở Hình 1-7 : Sơ đồ NMTĐ kiểu tổng hợp phía dưới có độ dốc lớn thì xây đường dẫn. Nhà máy thủy điện Hòa Bình ( H = 88m, 8 tổ máy, mỗi tổ 220 MW) và Trị An (H = 50m, 4 tổ máy, mỗi tổ 100 MW) là các nhà máy kiểu tổng hợp. 1.3 Các thông số của dòng chảy và tuabin nước a. Cột áp Cột áp toàn phần hay còn gọi là cột áp của nhà máy được xác định bằng hiệu năng lượng riêng của tiết diện A-A (thượng lưu) và tiết diện B-B (hạ lưu). Công thức xác định cột áp toàn phần như sau : Hình 1-8 : Sơ đồ cột áp NMTĐ P P V 2 V 2 Htp = (ZA – ZB) + A B A A B B (1-1)  2g Khi dòng chảy vào tuabin thì một phần công suất của dòng chảy tiêu hao chủ yếu do tổn thất cột áp qua cửa ngăn, cửa chống rác, tổn thất dọc đường từ tiết diện 5
6. ` A-A đến 1-1 và từ 2-2 đến B-B. Vì thế cột áp của tuabin nhỏ hơn cột áp toàn phần một đại lượng tổn thất đó. Cột áp tuabin xác định theo công thức : 2 2 P P 1V1 2V2 H = (Z1 – Z2) + 1 2 (1-2)  2g Trong đó : Z1, V1 : Cao trình mặt nước và vận tốc tại mặt cắt bố trí van thượng lưu của NMTĐ Z2, V2 : Cao trình mặt nước và vận tốc tại mặt cắt ra của ống hút.  : Trọng lượng riêng của nước. Cột áp là một trong những thông số quan trọng để thiết kế tuabin. b. Lưu lượng Là chỉ lưu lượng dòng chảy đi qua tuabin, ký hiệu là Q, đơn vị m3/s Lưu lượng tuabin cũng là một trong những thông số chính để thiết kế tuabin. c. Công suất Công suất dòng chảy được xác định theo công thức sau : Ndc = 9,81QH (1-3) Công suất trên trục tuabin, tính bằng kW được xác định : NT = NdcT (1-4) Công suất trên trục tuabin luôn nhỏ công suất dòng chảy vì trong quá trình biến đổi năng lượng luôn luôn có tổn thất. d. Hiệu suất tuabin Từ biểu thức (1-3) và (1-4) ta suy ra hiệu suất tuabin T : N T = T (1-5) 9,81QH e. Đường kính bánh xe công tác và số vòng quay tuabin Đường kính BXCT là một thông số thiết kế cơ bản của tuabin. Tùy thuộc vào từng dạng BXCT của các loại tuabin khác nhau, có các quy ước về đường kính. Đường kính tuabin thường được ký hiệu là D1. Số vòng quay của tuabin thông thường chính là số vòng quay của máy phát (nếu nối trực tiếp), vì vậy khi chọn số vòng quay của tuabin cần chú ý đến số vòng quay đồng bộ của máy phát : n = 6000 (1-6) 2P Trong đó : 2P - số đôi cực của máy phát ứng với tần số f = 50 Hz Có thể chọn số vòng quay đồng bộ theo bảng sau : Bảng 1-1 Số đôi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 cựa 2P n, v/ph 3000 1500 100 750 600 500 428,6 375 333 300 273 250 Hai đại lượng này đặc trưng cho kích thước và cỡ tuabin. Chúng có quan hệ mật thiết với nhau và được xác định bởi cột áp và lưu lượng của tuabin. Thường tuabin có công suất lớn thì đường kính lớn. Nhưng tuabin có cột áp càng lớn thì số vòng quay càng lớn và kích thước càng nhỏ. 1.4 Phân loại và phạm vi sử dụng của tuabin 6
7. ` a. Các dạng tác động của dòng nước Một cách chung nhất có thể xem năng lượng của dòng nước gồm có 2 dạng : thế năng và động năng (trong đó thế năng bao gồm vị năng và áp năng) 2 2 P P 1V1 2V2 Theo biểu thức (1-2) : H = (Z1 – Z2) + 1 2 , ta có :  2g P P (Z1 – Z2) + 1 2 : Thành phần thế năng  V 2 V 2 1 1 2 2 : Thành phần động năng 2g Năng lượng E1-2 do dòng chảy trao cho tuabin có thể xác định bằng hiệu năng lượng đơn vị của dòng chảy trước khi vào BXCT và sau khi ra khỏi BXCT E1-2 = Phần năng lượng phản kích + Phần năng lượng xung kích Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng nào của dòng chảy tác động vào BXCT tuabin là chủ yếu mà ta có thể chia tác động của dòng nước thành 2 dạng: - Tác động phản kích (do thành phần thế năng tác động là chủ yếu) - Tác động xung kích (do thành phần động năng tác động là chủ yếu) b. Phân loại tuabin Vì điều kiện thiên nhiên (địa hình, địa chất và thuỷ văn) của các NMTĐ rất khác nhau, cho nên cột nước của NMTĐ và lưu lượng nước đi qua tuabin cũng rất khác nhau. Phạm vi biến đổi cột nước rất lớn từ một vài mét đến hàng nghìn mét. Phạm vi biến đổi của lưu lượng nước cũng rất lớn từ vài l/s ở thuỷ điện nhỏ kiểu gia đình đến hàng trăm m3/s ở những NMTĐ lớn. Vì vậy, tuabin phải có nhiều kiểu, nhiều cỡ khác nhau mới đáp ứng được nhu cầu sử dụng năng lượng nước. Tuỳ theo kiểu tác động của dòng nước và BXCT mà chia tuabin thành hai loại chính : tuabin phản kích và tuabin xung kích. Loại tuabin lại được chia làm nhiều hệ khác nhau. Trong mỗi hệ lại chia làm nhiều kiểu tuabin theo mẫu BXCT và các cỡ kích thước khác nhau. TUABIN PHẢN KÍCH Tuabin phản kích là hệ tuabin được sử dụng rộng rãi nhất, bao gồm phạm vi cột nước từ 1,5m đến 700m. Phụ thuộc vào hướng dòng chảy của dòng nước đi qua BXCT mà chia tuabin phản kích thành nhiều loại khác nhau. Trong tuabin phản kích cả hai phần thế năng và động năng đều tác động nhưng chủ yếu là phần thế năng. Trong hệ tuabin này, áp suất ở cửa vào luôn lớn hơn ở cửa ra. Dòng chảy qua tuabin là dòng liên tục điền đầy toàn bộ máng dẫn cánh. Trong vùng BXCT, dòng chảy biến đổi cả động năng và thế năng. Trong đó vận tốc dòng chảy qua tuabin tăng dần, áp suất giảm dần, tạo ra độ chênh áp mặt cánh sinh ra mômen quay trục. + Tuabin hướng trục (Có dòng chảy qua BXCT song song với trục quay) Tuabin chong chóng (còn gọi là tuabin Propeller hay tuabin cánh quạt) : Thuộc loại tuabin phản kích, dùng ở NMTĐ cột nước thấp H = 6 ÷ 80m 7
8. ` Hình 1-9 Tuabin chong chóng có kết cấu đơn giản nhất trong các loại tuabin phản kích. Kết cấu của nó cũng thay đổi tuỳ thuộc vào cột nước và công suất tác dụng và cách lắp đặt (đặt đứng hoặc nằm). Trên hình 1-9 là kết cấu tuabin chong chóng đặt đứng, gồm có các bộ phận : + Bánh xe công tác tuabin gồm có bầu và các cánh BXCT gắn cố định trên bầu, thông thường là 4 đến 8 cánh. Cánh BXCT có thể chế tạo cùng với bầu thành một khối hoặc chế tạo riêng rồi gắn chặt với bầu bằng bulông. BXCT là bộ phận chuyển hoá năng lượng nước. Khi nước chảy trên mặt cong của cánh, do nước phải đổi hướng nên tạo ra một áp lực tác dụng lên bề mặt cánh BXCT, gây nên mômen quay làm quay BXCT tuabin. + Buồng BXCT là chỗ lắp đặt BXCT. Buồng BXCT có dạng hình trụ. Khe hở giữa buồng và cánh BXCT nằm trong phạm vi (0,0005 ÷ 0,001)D1, trong đó D1 là đường kính BXCT. + Buồng tuabin là bộ phận dẫn nước vào BXCT. Có nhiều loại buồng tuabin. Ở NMTĐ, buồng tuabin thường có dạng xoắn ốc, gọi là buồng xoắn. Kích thước, kết cấu buồng tuabin có ảnh hưởng quyết định đến kích thước NMTĐ. + Stato tuabin có nhiệm vụ truyền tải trọng nằm phía trên nó xuống móng NMTĐ. Các tải trọng này gồm : trọng lượng bản thân các phần quay và không quay của tổ máy, áp lực thuỷ động dọc trục tác dụng lên BXCT, tải trọng sàn và bệ đỡ máy phát điện. Răng buồng xoắn cũng làm nhiệm vụ Stato. + Bộ phận hướng dòng (BPHD) nằm phía trong stato làm nhiệm vụ : - Thay đổi trị số và hướng của vận tốc dòng chảy trong khoảng không gian giữa BPHD và BXCT để tạo điều kiện thuận lợi cho dòng chảy đi vào cánh BXCT nhằm nâng cao hiệu suất tuabin. - Thay đổi công suất của tuabin bằng cách thay đổi lưu lượng nước đi qua tuabin. 8
9. ` Hình 1-10: 6. Ổ hướng cánh hướng dòng 7. Để làm nhiệm vụ trên, các cánh hướng dòng được bố trí đều chung quanh BXCT và mỗi cánh hướng được gắn vào hai vành trên và dưới. Các cánh hướng dòng có thể quay được quanh trục cánh có ổ trục tại vành trên vành dưới và đầu trục gắn vào vành điều chỉnh qua hệ thống thanh kéo, thanh quay (hình 1-10) Vành điều chỉnh được điều khiển từ động cơ secvô của máy điều tốc. Khi các cánh hướng dòng quay thì không những khoảng cách giữa các cánh hướng dòng (gọi là độ mở cánh hướng a 0) thay đổi (nên lưu lượng đi vào tuabin thay đổi) mà cả hướng của vận tốc đi vào BXCT cũng thay đổi. Số lượng cánh hướng dòng thường nằm trong khoảng từ 16 cánh đến 32 cánh. Tuabin nhỏ (D1 700 cm có 32 cánh. Tuabin cực nhỏ, BPHD thường có cánh cố định chuyển hướng của vận tốc dòng chảy vào BXCT và thường có số cánh ít hơn (10 ÷ 14 cánh). Để giảm bớt tổn thất thuỷ lực ở BPHD, hình dáng các cánh hướng dòng phải thuận dòng và bề mặt tiếp xúc với nước phải nhẵn và phải phối hợp với buồng tuabin, trụ stato sao cho góc tới của dòng chảy trong các chế độ làm việc của tuabin là bé nhất. Hiện tại, đối với tuabin phản kích đặt đứng thường dùng BPHD kiểu trụ như theo hình 1-10 . Ngoài các bộ phận trên còn có nắp tuabin và bộ phận đỡ trục (ổ hướng của tuabin) v.v Tuabin cánh quay (còn gọi là tuabin Kaplan) : Thuộc loại tuabin phản kích, thường gặp ở các NMTĐ vừa và lớn với cột nước thấp và trung bình. Mẫu tuabin này do kỹ sư Vikto Kaplan người Tiệp Khắc đề xuất (1913). Cột nước làm việc của tuabin H = 6 ÷ 80m. Mặc dù các bộ phận nói chung giống tuabin chong chóng, song kết cấu tuabin Kaplan phức tạp hơn (xem hình 1-12 và 1-13). 9 Hình 1-12: Cơ cấu quay cánh
10. ` Hình 1-11: Cắt dọc NMTĐ với tuabin Kaplan Hình 1-12: Cơ cấu quay cánh Sự khác nhau chủ yếu ở chỗ cánh BXCT 1và bầu BXCT 4 được chế tạo riêng biệt. Ở đây cánh BXCT có trục quay cánh 2 và ổ đỡ nên cánh có thể quay được. Bên trong bầu BXCT 4 lắp đặt pittông động cơ secvô 7 có các tai nối với các cánh BXCT qua thanh kéo 6 và thanh quay 5 làm quay đồng thời các cánh BXCT 1. Nhờ vậy, khi cột nước làm việc và lưu lượng của tuabin thay đổi ta có thể thay đổi góc đặt cánh của tuabin để quá trình chuyển hoá năng lượng đạt kết quả cao nhất. 1. Bánh xe công tác 2. Cánh BXCT 3. Cánh hướng dòng 4. Cơ cấu xoay cánh BXCT 5. Máy phát Hình 1-13: Kết cấu tuabin Kaplan 10
11. ` Tuabin Capxun (Tuabin Bulb- tuabin “bầu”, hay còn gọi là tuabin chảy thẳng) : Tuabin Capxun thuộc loại phản kích kiểu Kaplan, được sử dụng với cột áp thấp nhất. Nó có đầy đủ các bộ phận của tuabin và có máy phát nằm bên trong “bầu” như tên gọi của nó. Điểm khác biệt so với tuabin Kaplan là dòng chảy nước hỗn độn (theo hướng dọc trục và hướng kính) đi vào cánh hướng và không qua buồng xoắn. Trục cánh hướng đặt nghiêng (thông thường 60o) so với trục tuabin. Trái với các kiểu tuabin khác là các cánh hướng hình nón. BXCT tuabin Capxun giống như của tuabin Kaplan, nhưng có thể khác biệt về số lượng cánh tuỳ thuộc vào cột nước và dòng chảy. Hình 1-14 đưa ra sơ đồ bố trí NMTĐ sử dụng tuabin Capxun. Dòng nước chảy dọc vào tổ máy theo tâm máng dẫn, qua máy phát, cánh tĩnh, cánh hướng dòng, BXCT và theo ống thoát đổ ra kênh hạ lưu 1. Cửa vào buồng máy phát 2. Cửa vào buồng tuabin 3. Cụm dầu thuỷ lực 4. Cánh hướng 5. Ống thoát 6. BXCT Hạ lưu 7. “Bầu” tuabin Hình 1-14 : Sơ đồ NMTĐ dùng tuabin Capxun Hình 1-15: Tổ máy tuabin Capxun + Tuabin chéo trục Tuabin chéo trục được sử dụng ở các NMTĐ có cột nước H = 30  200m. Nó thuộc hệ tuabin cánh quay. BXCT gồm có 10  14 cánh được gắn vào bầu hình chóp nhờ các trục cánh. Trục cánh làm với trục tuabin một góc = 30 0, 450, 600 nên dòng chảy trong BXCT có hướng chéo trục. Tuabin chéo trục là tuabin trung gian giữa tuabin tâm trục và cánh quay, nó kết hợp được các ưu điểm của hai hệ tuabin kể trên. Cũng như ở tuabin cánh quay, các cánh BXCT quay được quanh trục của nó nhờ cơ 11
12. ` cấu quay cánh nên hiệu suất của nó cao hơn tuabin tâm trục ở hầu hết các chế độ làm việc. Mặt khác số cánh BXCT của loại tuabin này nhiều hơn so với tuabin cánh quay nên có thể làm việc với cột nước cao hơn nhưng mà vẫn không bị xâm thực. Hình 1-16 : Cắt dọc tuabin chéo trục + Tuabin cánh kép Muốn cho tuabin cánh quay làm việc với cột nước cao hơn thì phải tăng số lượng cánh BXCT từ 6  10 cánh. Như vậy, bầu BXCT phải có đường kính lớn mới có thể bố trí được bộ phận quay cánh BXCT trong đó. Mặt khác như vậy sẽ làm giảm khả năng thoát nước cũng như đặc tính xâm thực của tuabin. Để có thể tăng số cánh mà vẫn bảo đảm đường kính bầu không vượt quá trị số cho phép, tốt hơn hết là trên mỗi trục cánh lắp hai cánh, chẳng hạn dùng 8 cánh thì chỉ cần dùng 4 bộ trục cánh là đủ. + Tuabin tâm trục (còn gọi là tuabin Francis) : Thường gặp ở các NMTĐ có cột nước trung bình và tương đối cao. Đề xuất mẫu tuabin này là của kỹ sư Francis người Mỹ (1855). Tuabin tâm trục được sử dụng ở cột nước H = 30 ÷ 700m với tuabin lớn hay H = 2 ÷ 200m với tuabin nhỏ. Tuabin tâm trục là một trong những hệ tuabin phản kích được sử dụng rộng rãi nhất. Chuyển động của chất lỏng trong BXCT lúc đầu theo hướng xuyên tâm. Khi đi qua rãnh giữa các cánh BXCT dòng nước chuyển hướng 90 0 và ra khỏi BXCT theo hướng dọc trục, vì thế được gọi là tuabin tâm trục Về kết cấu, các bộ phận của tuabin tâm trục như : buồng tuabin, ống hút, BPHD, trục, ổ trục không có khác biệt mấy tuabin chong chóng và tuabin cánh quay, trừ BXCT.s BXCT tuabin tâm trục (hình 1-17) có vành trên 1 và vành dưới 3.Giữa hai vành là các cánh có dạng cong không gian 3 chiều, số lượng cánh từ 12 đến 22 chiếc BXCT tuabin tâm trục thường được đúc thành một khối. Trong điều kiện vận chuyển hạn chế có thể chế tạo BXCT gồm hai hoặc ba mảnh. Khi lắp ráp tại hiện trường sẽ 12
13. ` hàn nối các rãnh phân chia. Cũng có khi người ta chế tạo cánh BXCT riêng rồi hàn hoặc đúc liền vào vành trên và vành dưới. BXCT tuabin tâm trục cột nước trung bình (H< 80m) như hình phải, còn với cột nước cao thì như hình trái. Hình 1-17 : Bánh xe công tác tuabin tâm trục 1. Vành trên; 2. Cánh BXCT; 3. Vành dưới 1. Thép lót hầm tuabin 2. Trục tuabin 3. Động cơ secvô 4. Vành điều chỉnh cánh hướng 5. Cánh hướng dòng 6. Ổ hướng 7. Kín trục 8. Bánh xe công tác 9. Stato tuabin 10. Buồng xoắn 11. Ống hút Hình 1-18: Kết cấu tuabin Francis trục đứng 13
14. ` 4. BXCT 7. Côn BXCT 9. Thanh truyền động cơ secvô 10. Động cơ secvô 14. Trục tuabin 16. Bệ gối đỡ 20. Nắp gối 22. Vành chắn nước trục 23. Nắp tuabin 24. Vành chắn khít BXCT 25. Cánh tĩnh 26. Buồng xoắn 28. Cánh hướng 29. Cổ cánh hướng 30. Đòn bẩy cánh hướng 32. Thanh nối 33. Vành điều chỉnh 34. Ống thoát Hình 1-19: Tuabin Francis trục ngang TUABIN XUNG KÍCH Tuabin xung kích có các bộ phận chính sau đây : Vòi phun điều chỉnh lưu lượng, BXCT, vỏ, trục, bộ phận cắt dòng. Đặc điểm chung của tuabin xung kích là dòng chảy từ khi ra khỏi vòi phun sẽ tác động vào các cánh BXCT ở dạng tia tự do trong môi trường áp lực không khí, chỉ sử dụng phần động năng và chỉ có một số cánh BXCT đồng thời chịu tác động của tia nước, mặt khác BXCT của nó bao giờ cũng đặt cao hơn mực nước hạ lưu. Tuabin xung kích có ba hệ : tuabin gáo, tuabin tia nghiêng và tuabin xung kích hai lần + Tuabin gáo (Còn gọi là tuabin Pelton) : Do kỹ sư người Mỹ Pelton đề xuất (1870). Tuabin gáo thường dùng ở NMTĐ cột nước cao, với H = 300 ÷ 2000m ở thuỷ điện lớn và 40 ÷ 250m ở thuỷ điện nhỏ Tuabin gáo có nguyên lý làm việc khác với tuabin phản kích nên về cấu tạo cũng khác hẳn.Tuabin gáo có thể đặt đứng hoặc ngang, loại trục nằm ngang thường có công suất bé và có từ một đến hai vòi phun cho một BXCT, số lượng BXCT trên cùng một trục thường là một hoặc hai. Hình 1-20 : Tuabin Pelton một vòi phun 14
15. ` 1. Vòi phun 2. Kim phun 3. BXCT 4. Gáo 5. Đầu kim 6. Mực nước hạ lưu 8. Đĩa BXCT 12. Khuỷa cong 13. Trụ van kim 17. Khuỷa cong dưới 18. Ống xả nước 20. Đầu lệch dòng 21. Thanh chống 22. Pitton động cơ secvô dịch chuyển đầu kim 23. Lò xo kín van kim 24. Van solenoid điều khiển động cơ secvô 25. Vô lăngdịch chuyển đầu van kim 31 và 32. Vỏ tuabin 32a. Tấm chắn hướng nước từ BXCT vào hạ lưu 32b. Rãnh thoát tia nước khỏi trục 34. Tấm thép lót 40. trục tuabin 40a. Cam gối dọc trục 42. Gối ngoài tuabin 43. Vị trí nối trục máy phát Hình 1-21 : Tuabin Pelton trục ngang hai BXCT và mỗi BXCT có hai vòi phun Trong tuabin Pelton, nước từ thượng lưu theo đường ống áp lực qua cửa van, đoạn ống chuyển tiếp rồi vào vòi phun truyền động năng dòng chảy vào BXCT. Sau khi ra khỏi BXCT, nước được tháo xuống kênh xả hạ lưu. Trong vòi phun có van kim tác dụng điều chỉnh lưu lượng thông qua việc điều chỉnh tiết diện dòng tia vào BXCT. BXCT gồm có 14  60 cánh giống như gáo, giữa có sống nhô (như lưỡi dao) phân chia gáo thành hai phần bằng nhau. Các cánh BXCT được gắn chặt vào đĩa (bằng cách hàn hay ghép bulông) nằm trên trục quay. Để cho nước tác dụng vào cánh gáo khỏi bắn tung tóe khi chuyển từ gáo này sang gáo khác ở đầu dưới khoét miệng lõm vào. Ở tuabin gáo cột nước cao có đường ống dài còn có bộ phận cắt dòng để hướng một phần hay toàn bộ tia nước không cho vào BXCT để tránh hiện tượng nước va xảy ra khi đóng nhanh van kim của nó. Ở các tuabin gáo có máy điều tốc tự động thì sự chuyển động có phối hợp giữa van kim và bộ phận cắt dòng được thực hiện nhờ bộ liên hợp nằm trong máy điều tốc. Vỏ che ngoài BXCT có nhiệm vụ không cho nước từ BXCT bắn ra ngoài, hình dáng vỏ che phải đảm bảo để nước từ vỏ che không rơi ngược vào lưng gáo. Loại trục đứng có số vòi phun nhiều hơn, thường từ hai đến sáu, các vòi phun được bố trí đều chung quanh BXCT. Hình 1-22 và 1-23 dưới đây mô tả mặt cắt dọc và cắt ngang tuabin gáo trục đứng nhiều vòi phun. 15
16. ` 1. Ống để kiểm tra hiệu suất 2. Ống phân phối 3. Cơ cấu lệch dòng 4. Trục tuabin 5. Động cơ secvô cơ cấu lệch 6. Nắp vỏ đường pit 7. Ổ hướng 8. Vỏ tuabin 9. Vòi phun chính với đầu kim 10.BXCT 11.Ray tấm chắn 12.Tấm chắn 13.Sàn kiểm tra Hình 1-22: Tuabin gáo trục đứng nhiều vòi phun, mặt cắt dọc 1. BXCT 2. Cơ cấu lệch dòng 3. Sàn kiểm tra 4. Vòi phun chính 5. Kim phun 6. Chỗ rẻ nhánh 7. Ống phân phối 8. Mối nối co dãn 9. Rãnh thoát Hình 1-23 : Tuabin gáo trục đứng nhiều vòi phun, mặt cắt ngang + Tuabin tia nghiêng Tuabin tia nghiêng là loại tuabin xung kích có thông số kém hơn tuabin gáo .Nguyên lý làm việc của tuabin tia nghiêng cũng giống như tuabin gáo nhưng vòi phun bố trí trong mặt song song với trục quay với một góc nghiêng khoảng 22 0. Với góc nghiêng này vòi phun hướng dòng tia chảy vào bao cánh. Xung lực của dòng tia tác dụng vào các cánh BXCT nên loại này có tên gọi là tuabin tia nghiêng Phạm vi sử dụng của tuabin tia nghiêng: cột áp H = 50  400m, với công suất N = 10  4000 kW, hiệu suất  = 75  80 %. Tuabin này sử dụng rộng rãi cho các trạm có công suất nhỏ và trung bình. 16
17. ` BXCT tuabin tia nghiêng có cấu tạo đơn giản hơn so với BXCT của tuabin gáo, vì vậy chế tạo chúng cũng đơn giản hơn. Vòi phun của tuabin tia nghiêng có kết cấu giống như tuabin gáo. + Tuabin xung kích hai lần (Còn gọi là tuabin Banki) Tuabin xung kích hai lần còn gọi là tuabin tác dụng kép. Nó là tuabin có kết cấu đơn giản nhất. Tuabin này thường có kết cấu trục ngang, trên trục gắn BXCT có dạng gần như guồng nước. BXCT gồm có hai hoặc ba đĩa, giữa các đĩa có gắn từ 12  48 cánh cong đặt song song với trục. Nước được dẫn qua đường ống vào tuabin qua vòi phun có tiết diện hình chữ nhật. Dòng tia đi ra khỏi vòi phun tác dụng lên cánh lần thứ nhất, đi vòng qua trục phía trong BXCT, lại đi ra và tác dụng lần thứ hai vào cánh. Do sự tác động hai lần của dòng tia vào cánh BXCT nên gọi là tuabin tác động kép. Lần tác dụng thứ nhất cánh nhận khoảng 70  80% năng lượng dòng tia. Lần thứ hai khoảng 30  20% năng lượng Hình 1-24: còn lại. Việc điều chỉnh lưu lượng của vòi phun được thực hiện bằng lưỡi gà nối với tay điều chỉnh. Khi vặn tay quay này thì tiết diện vòi phun này sẽ thay đổi. Phạm vi tác dụng của tuabin xung kích hai lần với cột áp H = 10  100m. Hiệu suất có thể đạt 60  83%. Tuabin này được sử dụng rộng rãi với các trạm có công suất nhỏ, từ một vài kW đến hàng ngàn kW. + Tuabin bơm (Pump – Turbine) Ngoài các kiểu tuabin đã trình bày trên, người ta đã phát triển thêm một loại máy thủy lực hoạt động thuận nghịch : vừa như là một tuabin phát điện vừa là một máy bơm nước ở chế độ chạy bù gọi là tuabin bơm sử dụng cho các NMTĐ tích năng. c. 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 qui 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 cánh BXCT và cánh bộ phận hướng nước. Hình 1-25: Tuabin bơm 17
18. ` Bảng 1-2 : Phạm vi sử dụng của các tuabin Nhờ những thành tựu của ngành chế tạo tuabin trong N những năm gần đây nên phạm vi Phạm vi cột max Kích thước lớn Hệ tuabin (MW) sử dụng cột nước của nó không nước H (m) nhất D1 (m) ngừng được mở rộng. Trước đây Phản kích tuabin hướng trục, đặc biệt là * Hướng trục : tuabin cánh quay trục đứng Chảy thẳng 2 - 20 50 8 thường sử dụng với cột nước H = Cánh quay 6 - 80 250 10,5 15  50m, ngày nay phạm vi đó Cánh quạt 6 - 80 150 9 Cánh kép 30 - 100 250 8 đã mở rộng đến 10  80m. Sử * Chéo trục 30 - 200 300 8 dụng tuabin hướng trục trục * Tâm trục 30 - 700 800 10 đứng với cột nước thấp hơn (H < * Tuabin bơm 10m) phạm vi nói trên sẽ làm (thuận nghịch) tăng kích thước cũng như trọng Hướng trục 2 -15 30 8 Chéo trục 20 - 100 300 7,5 lượng tổ máy, giá thành xây Tâm trục 30 - 600 450 9,5 dựng nhà máy cũng tăng lên. Xung kích Bởi thế trong những năm gần * Gáo 300 - 2000 350 7,5 đây đối với phạm vi cột nước H * Tia nghiêng 50 - 400 50 4 = 3  15m người ta đã sử dụng tổ * Xung kích hai 10 - 100 - - lần máy Capxun trục ngang có tỷ tốc lớn và rẻ hơn. Sở dĩ sử dụng tuabin cánh quay trục đứng ở phạm vi cột nước tương đối cao ( H = 50  80 m) là để tăng hiệu suất bình quân của tổ máy trong trường hợp nhà máy 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. Nhưng mặt khác, tuabin hướng trục đứng có đặc tính xâm thực kém hơn so với tuabin tâm trục, bởi thế tuabin cánh quay hạn chế làm việc ở cột nước cao. Vì vậy gần đây, người ta đã sử dụng hệ tuabin mới, có thể kết hợp được các 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 động lớn (của tuabin cánh quay) và có đặc tính xâm thực và độ sâu lắp đặt tuabin tương đối nhỏ (của tuabin tâm trục). Đó là hệ tuabin chéo trục, trong thực tế đã sử dụng với phạm vi cột nước H = 30  200m. Tuabin tâm trục hiện 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 dao 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, 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 18
19. ` Chương 2 : QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA TUABIN 2.1 Quá trình tác động của dòng nước lên cánh BXCT Như đã nói ở trên, dòng nước tác động vào cánh tuabin có hai cách khác nhau về nguyên tắc : + Tác động xung kích : Khi tia nước bắn vào bản chắn (cánh BXCT), bản chắn ngăn tia nước lại, động năng tia nước truyền cho bản chắn, xung lực này làm cho BXCT quay, ở đây không có sự tham dự của thành phần áp năng. Quá trình chuyển động của tia nước từ khi đi vào cánh tuabin cho đến khi ra khỏi tuabin xảy ra trong môi trường không khí có áp suất không đổi. Như đã nói ở trên, để điều chỉnh tuabin xung kích trên vòi phun có van kim tác dụng điều chỉnh lưu lượng nước đến BXCT. Hình 2-1 : Tác động của dòng nước. A-Tác động xung kích; B-Tác động phản kích + Tác động phản kích : Do dòng nước khi chảy qua BXCT bắt buộc phải chảy trong các rãnh giữa hai cánh BXCT, làm thay đổi cả độ lớn lẫn hướng của vận tốc nước. Do nước phải đổi hướng chảy tạo nên phản lực tác dụng lên cánh BXCT. Phản lực này tác động lên tất cả các cánh BXCT tạo nên mômen quay tuabin. Quá trình tác động của dòng chảy lên cánh BXCT xảy ra trong môi trường nước có áp suất thay đổi, tức áp lực nước tại các điểm khác nhau của dòng nước không giống nhau. Chuyển động dòng chảy trong BXCT ở chế độ thiết kế đảm bảo dòng chảy vào thuận nhất gọi là dòng chảy “vào không va ” (góc tới của dòng chảy và góc đặt cánh tại mép vào trùng nhau), đồng thời dòng chảy ra khỏi BXCT có vận tốc nhỏ nhất, thường được gọi là điều kiện “ra thẳng góc”. Biểu thức công suất tuabin N T = 9,81QHη cho thấy để thay đổi công suất cần thay đổi lưu lượng nước Q qua tuabin bằng cách thay đổi độ mở của cánh hướng dòng tuabin. Như vậy sẽ làm thay đổi chế độ thiết kế dòng chảy của tuabin chong chóng và tuabin tâm trục (do cánh cố định trên BXCT) dẫn đến có tổn thất và hiệu suất tuabin giảm xuống nhiều. Đối với tuabin Kaplan, Capxun, chéo trục do có thể điều chỉnh được cánh trên BXCT nên khi thay đổi lưu lượng nước có thể phối hợp các điều chỉnh (điều chỉnh 19
20. ` cánh hướng và điều chỉnh cánh BXCT) để vẫn duy trì chế độ làm việc thuận dòng nên vẫn có hiệu suất cao ở các chế độ lưu lượng làm việc khác nhau. 2.2 Phường trình điều chỉnh lưu lượng tuabin Ta có phương trình điều chỉnh lưu lượng tuabin như sau :  gH tl r 2 2 (2-1) Q  1 r2 ctg 0 ctg 2 b0 F2 Trong đó : tl - hiệu suất thủy lực  - vận tốc góc tuabin;  = const F2 - diện tích tiết diện ra BXCT r2 – bán kính mômen quay khảo sát Từ biểu thức trên ta có thể thay đổi lưu lượng bằng cách thay đổi một trong ba đại lượng : b0, 0, - Chiều cao cánh hướng b0 - Góc ra của cánh hướng 0 - Góc ra đặt cánh bánh công tác Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi b0 có thể thực hiện nhờ một van chụp. Cách điều chỉnh này có thể ứng dụng cho tuabin cỡ nhỏ. Đối với tuabin cỡ trung bình và cỡ lớn thì điều chỉnh này rất khó, phức tạp về mặt kết cấu và gây nên tổn thất thủy lực nhiều. Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi góc ra của cánh hướng 0 được dùng phổ biến nhất. Đối với cả ba loại tuabin (hướng trục, tâm trục và hướng chéo) người ta thay đổi lưu lượng nhờ hệ thống cánh hướng. Khi các cánh hướng quay thì độ mở cánh hướng a0 thay đổi và lưu lượng qua nó thay đổi. Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi góc được ứng dụng kết hợp với việc điều chỉnh độ mở cánh hướng a 0 tuabin hướng trục và chéo trục cánh xoay có thể điều chỉnh kép, cùng một lúc thay đổi hai đại lượng 0 và . Nhờ điều chỉnh kép dòng đi ra khỏi cánh hướng luôn phù hợp với góc nghiêng của cánh bánh công tác. Hiệu suất lớn nhất của a 0 tuabin hướng trục và chéo trục cánh xoay không thay đổi trong phạm vi khá lớn khi thay đổi công suất. Đó là ưu điểm lớn của tuabin cánh xoay so với tuabin tâm trục hoặc chong chóng. 2.3 Luật tương tự của tuabin Tuabin nước là loại máy thuỷ lực có kích thước lớn thường khó có điều kiện thí nghiệm nguyên hình để hiệu chỉnh tính toán mà thường phải thu nhỏ lại thành mô hình để làm thí nghiệm, sau đó dựa vào luật tương tự để suy ra đặc tính thực của tuabin từ kết quả thí nghiệm. Biện pháp mô hình phải thoả mãn ba điều kiện tương tự : + Tương tự về hình dạng: Hình dạng phần dẫn dòng phải đồng dạng, điều đó có nghĩa các kích thước hình học tương ứng của chúng phải theo một tỷ lệ nhất định + Tương tự về động học : Sự phân bố vận tốc tại các điểm tương ứng của dòng chảy bên trong phần dẫn dòng của tuabin thực và mô hình phải tương tự nhau. 20
21. ` + Tương tự động lực học : Các lực quán tính, ma sát, trọng lực tác dụng lên dòng nước ở phần dẫn dòng tại các điểm tương ứng tỷ lệ với nhau. + Các chuẩn số : Từ những công thức suy diễn theo điều kiện của tiêu chuẩn tương tự động lực học người ta rút ra một số những chuẩn số : Râynold, Frut, Ơle Mỗi chuẩn số này đặc trưng cho một thành phần lực nào đó tác dụng lên dòng chảy trong tuabin. Chuẩn số Râynold (ký hiệu Re) đặc trưng cho lực nhớt của dòng chảy. Công thức Frut (ký hiệu Fr) đặc trưng cho lực trọng trường. Chuẩn số Ơle (ký hiệu Eu) đặc trưng cho áp lực. Ngoài ra còn nhiều loại chuẩn số khác, nhưng yêu cầu tối thiểu là hai chuẩn số Re và Fr sao cho Re M = ReT và FrM = FrT ( M-ký hiệu cho tuabin mô hình; T - ký hiệu cho tuabin thực). + Các quan hệ tương tự Ta có các biểu thức sau phối hợp các thông số n, Q, N đảm bảo cho tuabin mô hình và tuabin thực làm việc tương tự : n D H Quan hệ tốc độ quay :M 1T M (2-2) nT D1M HT 2 Quan hệ lưu lượng : QM D1M HM (2-3) QT D1T HT 2 Quan hệ công suất : NM D1M HM HM (2-4) NT D1T HT HT 2 2 Quan hệ cột áp :HM nM D1M (2-5) HT nT D1T Trong đó, D1- đường kính tuabin; H- cột nước làm việc của tuabin. + Chú ý : Các công thức trên đã bỏ qua hiệu suất thủy lực của tuabin mô hình và tuabin thực vì chúng gần như tương đương nhau. 2.4 Các đại lượng qui dẫn Tuabin nước có thể làm việc trong phạm vi cột nước, tốc độ quay, lưu lượng, công suất khác nhau với các cỡ tuabin khác nhau. Để đặc trưng cho mỗi kiểu tuabin cần phải có các đại lượng đặc trưng, qui về một điều kiện tiêu chuẩn nào đó, như qui về D1 = 1m; H = 1m chẳng hạn. Các đại lượng qui về với điều đó gọi là đại lượng qui dẫn: - Tốc độ quay qui về điều kiện D1 = 1m; H = 1m gọi là tốc độ quay qui dẫn, ký hiệu n’1. - Lưu lượng qui về điều kiện D 1 = 1m, H = 1m gọi là lưu lượng qui dẫn, ký hiệu Q’1. - Công suất qui về điều kiện D 1 = 1m, H = 1m gọi là là công suất qui dẫn, ký hiệu N1’. Để có được các đại lượng qui dẫn kể trên không nhất thiết phải chế tạo ra một tuabin có đường kính BXCT bằng 1m và thí nghiệm với cột nước H = 1m mà ta có thể làm thí nghiệm với một tuabin mẫu có cột nước H và đường kính D 1 tùy ý. Sau đó đo số vòng quay nM, lưu lượng Q M và cột nước H M và tính đổi ra các đại lượng qui dẫn theo các công thức về luật tương tự trên : 21
22. ` n' D 1 Từ luật tương tự ta có : 1 1 (2-6) n 1 H Q'1 1 1 2 (2-7) Q D 1 H N ' 1 1 1 (2-8) 2 N D1 H H Biết các đại lượng qui dẫn n 1’, Q1’ và N1’ ta có thể xác định n, Q và N của tuabin dự định thiết kế theo các công thức sau (cũng của luật tương tự): n1' HT nT (2-9) D1T 2 QT Q1'D1T HT (2-10) 2 3/ 2 N 9,81Q1'D1T HT T (2-11) Như vậy khi biết các thông số qui dẫn ta dễ dàng xác định các thông số thực khi biết cột nước HT và đường kính tuabin D1T. 2.5 Hệ số tỷ tốc nS ( còn gọi là số vòng quay đặc trưng) : Để đặc trưng cùng một lúc cho ba thông số chính của tuabin là n, H, N, người ta dùng một đại lượng gọi là hệ số tỷ tốc , ký hiệu là n s. Hệ số tỷ tốc được định nghĩa là tốc độ quay của tuabin khi làm việc ở cột nước H = 1m phát ra công suất N = 1 mã lực (1 mã lực = 0,736 kW). Để tìm hệ số tỷ tốc khi biết N, n, H ta sử dụng các công thức tương tự (2-2) và (2-4), rút ra : 1,167n N(kw) ns = (2-12) H 5 / 4 n = 3,65n’ (2-13) s 1Q'1  + Lưu ý : Hiện tại, nhiều nước phương Tây định nghĩa hệ số tỷ tốc là tốc độ quay tuabin khi làm việc ở cột nước H = 1m phát ra công suất 1kW ( 1kW = 1,167 mã lực). n N(kW) Vì vậy, nếu tính hệ số tỷ tốc theo công thức ns = thì sẽ nhỏ hơn trị số ns tính H 5 / 4 theo công thức (2-12) của Liên bang Nga là 1,167 Từ công thức (2-13) ta nhận thấy, tỷ tốc của các tuabin cùng kiểu bằng nhau vì lúc đó n1’ và Q1’ là hằng số. Khi chế độ làm việc của tuabin thay đổi (công suất hay số vòng quay thay đổi) còn H = const thì hệ số tỷ tốc n S cũng sẽ thay đổi. Điều đó giải thích lý do vì sao khi so sánh tính chất của các kiểu tuabin theo tỷ tốc ta phải tính đổi nS với một chế độ làm việc của các tuabin được so sánh như nhau. 22
23. ` Tỷ tốc nS càng tăng thì kích thước tuabin giảm xuống và ngược lại. Do đó theo quan điểm kinh tế (kích thước và trọng lượng tuabin nhỏ) nên chọn tuabin có tỷ tốc cao. Muốn thế, phải tăng hiệu suất  hoặc tăng Q 1’ và n1’. Với trình độ kỹ thuật hiện nay,  cũng chỉ tăng đến giới hạn nhất định. Bởi thế muốn tăng n S trong thực tế hiện nay của ngành chế tạo tuabin thường dựa theo hai biện pháp cơ bản : tăng n1’ và Q1’. Kinh nghiệm cho thấy : tăng Q 1’ để tăng n S lợi hơn nhiều so với tăng n 1’, vì rằng khi tỷ tốc của hai tuabin khác kiểu bằng nhau thì tuabin nào có Q 1’ lớn bao giờ cũng có kích thước nhỏ hơn mặc dù lúc đó số vòng quay n của cả hai đều bằng nhau. Bảng 2-1. Hệ số tỷ tốc của tuabin tâm trục Kiểu tuabin TT 45 TT 75 TT 115 TT 170 Hmax (m) 45 75 115 170 ns 350-300 350-300 300-250 250-220 Kiểu tuabin TT 230 TT 310 TT 400 TT 600 Hmax (m) 230 310 400 500-600 ns 220-175 175-155 155-125 125-115 Bảng 2-2. Hệ số tỷ tốc của tuabin gáo Kiểu tuabin G 400-600 G 700 G 1650 G 2000 Hmax (m) 400-600 700 1650 2000 ns 23 20 13 8 Bảng 2-3. Hệ số tỷ tốc của tuabin cánh quay đặt đứng Kiểu tuabin CQ 10 CQ 15 CQ 20 CQ 30 CQ 40 Hmax (m) 10 15 20 30 40 Ns 1200 1200-900 900-730 730-600 600-500 Qua các bảng trên cho thấy : tuabin gáo có tỷ tốc thấp, tuabin tâm trục có tỷ tốc trung bình, tuabin chong chóng, cánh quay có tỷ tốc cao. Và trong mỗi hệ cũng được chia thành ba nhóm : tỷ tốc cao, trung bình và chậm. Bảng 2-4. Phân nhóm theo tỷ tốc ở tuabin cùng hệ loại Hệ tuabin Nhóm tỷ tốc chậm Nhóm tỷ tốc trung bình Nhóm tỷ tốc cao Chong chóng 300-400 400-600 600-800 Cánh quay 300-450 500-700 800-1000 Tâm trục 60-150 150-250 250-400 Gáo 4-10 14-25 30-60 2.6 Tính toán hiệu suất tuabin thực từ tuabin mô hình Trong các công thức về luật tương tự tuabin thực tế có chứa các giá trị hiệu suất, tuy nhiên một cách gần đúng đã bỏ qua các trị số này. Thực tế cho thấy tuabin mô hình và tuabin thực cùng làm việc ở chế độ tương tự sẽ có hiệu suất khác nhau, phụ thuộc vào cột áp và đường kính BXCT của tuabin. Nguyên nhân là do sự khác nhau về tổn 23
24. ` thất trong hai tuabin trên. Nhưng bản chất vấn đề tổn thất trong tuabin lại hết sức phức tạp, người ta chưa tìm ra những phương pháp tính chính xác các dạng tổn thất này. Trong thực tế để xác định hiệu suất của tuabin thực theo hiệu suất mô hình thường phải dùng đến các công thức kinh nghiệm. Khi cột áp H 150m dùng công thức sau : D 5 1M (2-14) max T 1 (1 max M ) D1T Khi cột áp H 150m : D H 5 1M M (2-15) max T 1 (1 max M ) . D1T HT Hai công thức trên chỉ đúng ở chế độ tối ưu của tuabin. Còn các chế độ khác ngoài chế độ tối ưu thì việc hiệu chỉnh hiệu suất tuabin thực từ tuabin mô hình sẽ phức tạp hơn, cần đến những nghiên cứu đặc biệt về vấn đề này. 2.7 Vấn đề tổn thất trong mô hình hóa tuabin Như đã biết, công suất tuabin bao giờ cũng nhỏ hơn công suất dòng nước vì có các dạng tổn thất khác nhau. Nếu Ndc là công suất của dòng chảy, NT là công suất tuabin thì tổn thất năng lượng N sẽ là : N = (1- )N dc, trong đó  - tổng hiệu suất (hay hiệu suất) của tuabin. Tổn thất trong tuabin gồm có : tổn thất thủy lực, tổn thất thể tích (còn gọi là tổn thất lưu lượng) và tổn thất cơ khí. Ta hãy xét các dạng tổn thất này để đánh giá sự khác nhau giữa hiệu suất của tuabin thực và tuabin mô hình. a. Tổn thất thủy lực Tổn thất ma sát Tổn thất ma sát trong tuabin cũng giống như tổn thất dọc đường trong đường ống của lý thuyết thủy lực. Tổn thất này liên quan đến chiều dài phần dẫn dòng, hệ số độ nhám, tốc độ dòng chảy, bán kính thủy lực. Ta thấy rằng độ nhám tương đối của phần dẫn dòng trong mô hình thu nhỏ thường không thể đảm bảo tỷ lệ tương tự hình học với tuabin thực. Độ nhám tương đối này cũng phụ thuộc vào đường kính BXCT D1 và cột áp H. Tổn thất cục bộ Hiệu suất thủy lực của tuabin nếu chỉ tính tổn thất cục bộ là : ’2 tlc = 1- kcQ1 (2-16) Hai tuabin tương tự cùng làm việc ở các chế độ giống nhau thì hệ số k c = const ’ và chúng có cùng một thông số lưu lượng qui dẫn Q1 . Vậy ta có thể kết luận rằng : đối với tuabin mô hình và tuabin thực tương tự thì hiệu suất thủy lực chỉ tính đến tổn thất cục bộ không thay đổi. Khi mô hình hóa tổn thất thủy lực chỉ còn lại sự khác nhau về tổn thất ma sát dọc đường, phụ thuộc vào D 1 và H. b. Tổn thất thể tích Dòng chảy qua tuabin có một phần lưu lượng dò qua khe hở giữa rôto và stato. Phần lưu lượng này không tham gia vào việc biến đổi năng lượng. Hiệu suất thể tích khi đó được tính : 24
25. ` 1 (2-17)  1 Kq Q1' Từ biểu thức trên ta thấy hiệu suất thể tích của tuabin mô hình và tuabin thực tương tự cùng làm việc ở các chế độ giống nhau thì không thay đổi. Vì rằng chúng có cùng hệ số Kq và Q1’. Tuy nhiên khe hở giữa BXCT và vở của tuabin thực và mô hình không nhất thiết tương tự, nó phụ thuộc cấp gia công chính xác. c. Tổn thất cơ khí Tổn thất cơ khí là tổn thất năng lượng do ma sát cơ khí ở các ổ trượt, ổ đỡ, trong các đệm chống thấm giữa bộ phận chuyển động và bộ phận không chuyển động của tuabin, đồng thời do ma sát giữa các bộ phận quay với nước ở phần dẫn dòng (gọi là ma sát dĩa). Hiệu suất ma sát cơ khí trong ổ đỡ, ổ trượt : n1' ms 1 kmsMms (2-18) Q1' Trong đó : k - hệ số ma sát ms 3 30D1 H Mms – mômen ma sát ở các ổ đỡ, ổ trượt. Từ biểu thức trên ta nhận thấy hiệu suất cơ khí do tổn thất ma sát của tuabin mô hình và tuabin thực tương tự khác nhau. Đối với tuabin có công suất lớn thì hiệu suất cơ khí lớn hơn tuabin có công suất nhỏ. Tuy nhiên trong cân bằng năng lượng tuabin thì tổn thất cơ khí tương đối nhỏ so với các dạng tổn thất khác. Thường hiệu suất cơ khí của tuabin chỉ nằm trong khoảng 96%-98%. Vì hiệu suất cơ khí của tuabin khá cao nên việc đánh giá sự khác nhau của hiệu suất cơ khí tuabin thực và mô hình tương tự cũng được bỏ qua. Vì vậy ta không xét đến tổn thất cơ khí do ma sát đĩa. Qua những khảo sát và phân tích sự khác nhau của các dạng hiệu suất của tuabin thực và mô hình ta có thể rút ra kết luận sau : Hiệu suất do tổn thất ma sát dọc đường của tuabin thực và mô hình tương tự thay đổi phụ thuộc vào đường kính BXCT và cột áp tuabin. Còn hiệu suất thủy lực do tổn thất cục bộ, hiệu suất thể tích của tuabin thực và mô hình tương tự giống nhau. Hiệu suất cơ khí cơ bản phụ thuộc vào công suất tuabin. 25
26. ` Chương 3 : BỘ PHẬN DẪN NƯỚC VÀO VÀ RA - HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC CỦA TUABIN 3.1 Buồng tuabin : Buồng tuabin là phần nối liền công trình dẫn nước của NMTĐ với tuabin, có nhiệm vụ đưa nước vào bánh xe công tác sau khi qua bộ phận hướng dòng. Buồng tuabin cần đảm bảo những yêu cầu chính sau đây : - Dẫn nước đều đặn lên chu vi các cánh hướng nước, để tạo nên dòng chảy đối xứng với trục tuabin. - Tổn thất thuỷ lực trong buồng tuabin, tại trục stato và tại cánh hướng dòng là nhỏ nhất - Buồng có kích thước nhỏ nhất và kết cấu đơn giản. Dễ tiếp nối với đường dẫn của NMTĐ. - Thuận tiện cho việc bố trí tuabin và các thiết bị phụ của nó trong gian máy. Kinh nghiệm cho thấy, kích thước và hình dạng buồng tuabin có ảnh hưởng đến tổn thất năng lượng trong buồng và các phần nước chảy qua tiếp theo. Nói chung buồng có kích thước lớn thì hiệu suất cao hơn. Mặt khác kích thước buồng quyết định kích thước khối tuabin và kích thước phần dưới nước của nhà máy, do đó mà nó liên quan trực tiếp đến giá thành xây dựng của NMTĐ. Các kiểu buồng tuabin thường gặp trong NMTĐ là : + Kiểu buồng xoắn : Buồng tuabin có dạng xoắn ốc, làm bằng thép hoặc bêtông, dòng chảy trong buồng tuabin là có áp. Đây là buồng tuabin thường gặp nhất ở NMTĐ và có ưu điểm là : - Điều kiện thuỷ lực tốt, có hiệu suất và khả năng thoát nước tốt - Có thể dùng với bất kỳ cột nước nào. Tuy nhiên nếu cột nước thấp và lưu lượng lớn thì nên dùng tuabin dòng chảy thẳng với buồng tuabin kiểu trụ tròn - Kích thước bé nên giảm được khối lượng xây dựng nhà máy và có thể dễ dàng thi công với bất kỳ cột nước nào Buồng xoắn bêtông: Thường dùng cho trạm thuỷ điện cột nước thấp (H < 40m). Khi cột nước lớn hơn 50m buồng xoắn bêtông phải được lót bằng thép tấm dày từ 10 ÷ 16 mm và được giằng néo chặt vào bêtông để cùng chịu lực. Buồng xoắn kim loại : Hình 3-1 : Buồng xoắn kim loại : a/ Bằng gang; b/ Bằng thép hàn 26
27. ` Buồng xoắn kim loại được dùng trong trường hợp cột nước lớn hơn 30m, tương ứng với tuabin tâm trục và các loại tuabin hướng trục cột nước cao. Buồng xoắn có thể làm bằng gang đúc hoặc tổ hợp thép hàn như hình vẽ. + Kiểu buồng hở : Là loại buồng đơn giản nhất thường dùng ở trạm TĐ nhỏ cột nước thấp H < 5m và D1 < 1,2m. Giới hạn cột nước sử dụng là 10m và Hình 3-2 : Buồng xoắn tổ hợp hàn giới hạn đường kính BXCT là D1 = 1,6m, vận tốc nước không vượt quá 1m/s. Buồng hở có thể làm bằng gỗ, gạch hoặc đá xây hay bằng bêtông, thường có các kiểu sau đây : Hở chữ nhật trục đứng, hở chữ nhật trục ngang và hở dạng xoắn ốc. 3.2 Ống hút : Ống hút (của tuabin phản kích) có tác dụng tăng thêm cột nước sử dụng chính là độ chân không tạo ra sau BXCT, có nghĩa là tăng độ chênh áp lực tác dụng lên mặt BXCT tuabin. Tuy nhiên, độ chân không ở mặt sau BXCT bị hạn chế bởi điều kiện xảy ra khí thực tuabin mà ta sẽ đề cập sau. Như vậy nhiệm vụ của ống hút là : - Dẫn nước từ BXCT của tuabin xuống hạ lưu với ít tổn thất thuỷ lực nhất. - Sử dụng được phần lớn động năng còn lại của nước sau khi ra khỏi BXCT. Hình 3-3 : Các kiểu ống hút Thực tế xây dựng các NMTĐ đã xuất hiện rất nhiều kiểu ống hút với hình dáng rất khác nhau, hình trên đưa ra một số kiểu thường gặp. 27
28. ` Hình 3-4: Ống hút của tuabin cỡ lớn 3.3 Hệ thống điều tốc tuabin : a. Vấn đề điều chỉnh tuabin : Đối với lưới điện hiện đại, yêu cầu tần số điện không đổi (50Hz hoặc 60Hz), hay nói chính xác hơn, phạm vi biến đổi rất nhỏ, dưới 0,1%. Vì vậy nó đòi hỏi tốc độ quay của tuabin không được thay đổi. Song, khi phụ tải thay đổi, mômen (tương ứng với công suất phát của tuabin) và mômen cản (tương ứng với phụ tải) sẽ mất cân bằng, làm tốc độ quay của tuabin thay đổi. Muốn giữ tốc độ quay của tuabin không đổi, phải tạo nên cân bằng mới giữa mômen quay và mômen cản, tức là phải thay đổi công suất phát để nó tương ứng với trị số phụ tải mới. Để thay đổi công suất trên trục tuabin, người ta thường thay đổi lưu lượng qua tuabin bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng dòng của tuabin phản kích, hay thay đổi độ mở vòi phun của tuabin xung kích. Hình 3-5: 28
29. ` Việc tăng giảm độ mở tuabin để thay đổi công suất hay dừng máy có thể thao tác bằng tay khi yêu cầu chính xác của tần số điện không cao và lực đóng mở tuabin không lớn, tức chỉ được dùng ở trạm thuỷ điện nhỏ. Để đảm bảo chất lượng điện đưa lên lưới (gồm điện áp và tần số) cũng như để đảm bảo yêu cầu dừng máy cấp tốc người ta phải tiến hành thao tác điều chỉnh tuabin một cách tự động, tức bộ phận điều chỉnh lưu lượng qua tuabin phải được thao tác bằng các động cơ secvô có lực thao tác lớn nhờ áp lực dầu từ các ống dẫn dầu áp lực. Dầu áp lực này được cung cấp từ thiết bị dầu áp lực và được điều khiển, khống chế từ thiết bị điều tốc. Ba bộ phận này hợp lại thành hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ quay của tuabin b. Thiết bị dầu áp lực: Như trên đã trình bày, để thao tác điều tốc cần có hệ thống dầu áp lực làm nguồn cung cấp năng lượng, lấy dầu áp lực làm môi chất truyền lực cho động cơ secvô. Thiết bị dầu áp lực có nhiệm vụ cung cấp dầu áp lực cho tủ điều chỉnh tốc độ tuabin và trong một số trường hợp, còn cung cấp dầu áp lực cho động cơ secvô đóng mở van đĩa, van cầu, van tháo không tải (dùng chung một hệ thống dầu) Trong bình chứa dầu áp lực, dầu chỉ chiếm 30 ÷ 40% thể tích, phần còn lại là không khí nén. Nhờ tính đàn hồi của không khí nén mà sóng áp lực sinh ra khi thao tác điều chỉnh tuabin được giảm đi rất nhiều. Lượng dầu và áp lực dầu trong bình chứa đảm bảo cho các bộ phận thao tác điều chỉnh tuabin làm việc bình thường, nó là nguồn dự trữ năng lượng, nên giảm nhẹ được công suất bơm dầu (so với dùng bơm dầu trực tiếp vào bộ phận điều chỉnh tuabin). Hình 3-6 Trong quá trình làm việc, dầu và không khí nén trong bình chứa dầu bị hao hụt do rò rỉ, vì vậy phải đặt hai bơm dầu (một bơm làm việc, một bơm dự trữ) để bơm dầu từ thùng chứa dầu vào bình chứa dầu áp lực. Còn không khí nén thì được các máy nén khí trong hệ thống khí nén của nhà máy cung cấp theo định kỳ. Áp lực khí nén trong bình chứa dầu thường là 25 kG/cm2, 40 kG/cm2 hoặc 63 kG/cm2. Do thao tác điều khiển động cơ secvô, làm áp lực trong bình chứa dầu sụt xuống. Khi áp lực trong bình chứa dầu sụt xuống bớt 2 ÷ 3 kG/cm 2 so với bình thường thì các máy bơm dầu hoạt động nhờ các rơle áp lực. Khi áp lực đạt bình thường thì rơle tự động điều khiển dừng máy bơm. Để bơm dầu không chịu áp lực dầu khi dừng máy, lắp đặt van một chiều 29
30. ` trên đường ống. Để đảm bảo an toàn vận hành, cần lắp đặt van an toàn trên bình chứa dầu. Ngoài ra còn có phao chỉ mức dầu, áp kế Dầu ở thiết bị dầu áp lực là dầu sạch, có độ nhớt 4-50E ở nhiệt độ 500C. c. Máy điều tốc : Máy điều tốc gồm các cơ cấu phức tạp để thao tác điều chỉnh tự động tốc độ quay của tuabin cũng như các thao tác điều khiển, khống chế chế độ làm việc của tuabin. Các bộ phận chính của máy điều tốc gồm có : Hình 3-7: Cụm điều khiển thiết bị dầu áp lực Bộ phận cảm biến : Ghi nhận mức độ thay đổi tốc độ quay của tổ máy. Bộ phận khuếch đại : Làm nhiệm vụ nhận tín hiệu từ bộ phận cảm biến và khuếch đại tín hiệu. Bộ phận phân phối dầu áp lực : Căn cứ vào tín hiệu từ bộ phận cảm biến để điều phối dầu áp lực tới động cơ secvô thao tác đóng mở bộ phận hướng dòng của tuabin. Đó là van trượt phân phối (còn gọi là van điều phối). Bộ phận chấp hành : Thực hiện mệnh lệnh đóng mở các cánh hướng tuabin. Đó là động cơ secvô gồm xilanh và pittông di chuyển bên trong xilanh theo hướng đóng hoặc mở các cánh hướng tuabin tuỳ thuộc vào hướng tác dụng của dầu áp lực, do van trượt phân phối điều phối. Bộ phận phản hồi : Nhằm đưa tín hiệu vị trí pittông động cơ secvô phản hồi trở lại để bộ phận cảm biến trở về vị trí cũ ứng với trạng thái cân bằng mới của tuabin. Ngoài ra, trong máy điều tốc còn có một số bộ phận điều khiển như cơ cấu biến tốc, cơ cấu giới hạn độ mở dùng để thay đổi phụ tải tổ máy đảm nhận, hay khống chế độ mở tối đa của Hình 3-8: cánh hướng dòng 30
31. ` Ở tuabin tâm trục hay tuabin chong chóng, máy điều tốc chỉ nhằm thay đổi độ mở bộ phận hướng dòng, gọi là máy điều tốc điều chỉnh đơn (có một bộ phận điều chỉnh). Ở tuabin cánh quay hay tuabin gáo có thêm thiết bị làm lệch tia nước thì phải dùng loại máy điều tốc điều chỉnh kép. Ở tuabin cánh quay, có hai bộ phận điều chỉnh, đó là bộ phận điều chỉnh độ mở cánh hướng dòng và bộ phận điều chỉnh góc đặt cánh BXCT của tuabin. Góc đặt cánh BXCT được thay đổi tuỳ thuộc vào cột nước và độ mở cánh hướng dòng, vì vậy, phải có cầu nối giữa hai bộ phận điều chỉnh này gọi là bộ phận liên hợp. Ở tuabin gáo cũng vậy, khi đóng chậm vòi phun bằng van kim để giảm áp lực nước va thì thiết bị làm lệch tia nước phải cắt ngay tia nước ra khỏi gáo rồi sau đó mới từ từ trở về vị trí cũ nên cũng cần phải có thêm bộ phận điều chỉnh thứ hai để thao tác thiết bị làm lệch tia nước. Ở máy điều tốc nhỏ, thiết bi dầu áp lực và tất cả các bộ phận của thiết bị điều tốc được bố trí trong cùng một tủ điều tốc, còn ở thuỷ điện lớn thì thiết bị dầu áp lực bố trí riêng, các bộ phận của thiết bị điều tốc (trừ động cơ secvô) được bố trí trong tủ điều tốc . Ở thuỷ điện lớn, động cơ secvô thường gồm hai chiếc, bố trí sát nắp tuabin hoặc nằm trên nắp tuabin. Hình 3-9: Điều tốc tuabin gáo. 1- van kim; 2- cơ cấu lệch dòng Hình 3-10: Cơ cấu điều tốc tuabin Francis 31
32. ` Chương 4 : HIỆN TƯỢNG XÂM THỰC VÀ CHIỀU CAO HÚT CỦA TUABIN 4.1 Hiện tượng xâm thực trong tuabin: Nghiên cứu điều kiện làm việc của tuabin khi có ống hút cho thấy ở phía dưới cánh BXCT (tức ở mặt sau của prôphin cánh BXCT, nơi gần vị trí nối tiếp với ống hút), khi tuabin làm việc, xuất hiện chân không do vận tốc nước chảy qua BXCT lớn. Hơn nữa, khi chảy trong các rãnh giữa hai cánh BXCT vận tốc nước phân bố không đều, dẫn đến áp suất nước ở mặt sau của cánh giảm xuống rất thấp,làm xuất hiện hiện tượng xâm thực. + Giải thích: Hạ thấp áp suất chất lỏng đến áp suất hoá hơi thì trong chất lỏng hình thành các bọt khí, rồi các bọt khí tràn đầy chất lỏng, vì do trong chất lỏng có chứa nhiều hạt bụi là những hạt nhân hoà tan không khí trong chất lỏng (cũng cần nhắc rằng áp suất hoá hơi lại phụ thuộc vào nhiệt độ chất lỏng). Sau khi hình thành bọt khí thì không thể tiếp tục hạ thấp áp suất chất lỏng, bởi vì thể tích bọt khí chiếm chỗ sẽ tăng lên nhanh chóng. Khi áp suất tăng lên thì các bọt khí sẽ bị nén và ngưng tụ thành chất lỏng. Nghiên cứu dòng chảy trong BXCT của tuabin có thể nhận thấy dòng chảy ở đây có lưu tốc cao (làm giảm nhanh chóng áp suất) và mạch động áp lực lớn (mạch động áp lực chính là các quá trình biến thiên –dao động áp suất lớn theo chu kỳ rất bé, khoảng 0,1 giây). Khi áp suất hạ thấp xuống gần áp suất hoá hơi thì do có mạch động áp lực nên có thời điểm áp suất thấp hơn áp suất hoá hơi, hình thành vùng bọt khí cục bộ, rồi bọt khí bị phá vỡ khi áp suất tăng cao hơn áp suất hoá hơi. Càng hạ thấp áp suất thì số lượng bọt khí tăng lên nhanh chóng và các bọt khí cũng được hình thành và phá vỡ liên tục dưới dạng mạch động. Quá trình tồn tại bọt khí gồm hai pha : pha hình thành các bọt khí ở vùng áp suất thấp và pha phá vỡ các bọt khí ở vùng áp suất cao. Tại đây, hơi nước trong bọt khí ngưng tụ, hình thành lỗ trống làm cho nước chung quanh ập vào tâm bọt khí với tốc độ cao, nước va đập vào nhau mạnh tại tâm bọt khí, làm áp suất tại tâm bọt khí có thể lên tới hàng ngàn atmôtphe. Tại bề mặt kim loại do có các bọt khí bị phá vỡ liên tục sẽ tạo nên các va đập mạnh lên bề mặt kim loại một cách liên tục với tần số cao làm cho nó bị “mỏi”, dẫn đến bị phá huỷ, hình thành các lỗ hổng dày đặc như tổ ong, có khi sâu tới 10 ÷ 40 mm. Đi liền với sự phá huỷ cơ học còn có sự phá huỷ do điện phân và hoá học làm tăng nhanh tốc độ phá huỷ bề mặt kim loại. Tác dụng điện hóa có thể giải thích như sau : Khi bọt khí bi nén trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao làm cho giữa các bộ phận phần nước qua của tuabin có sự chênh lệch về nhiệt độ (do xâm thực) hình thành các pin nhiệt điện. Dưới tác dụng của hiện tượng điện phân xảy ra trên bề mặt kim loại và hiện tượng phóng điện trong các bọt khí sẽ gây nên hiện tượng ăn mòn kim loại. Ngoài ra trong quá trình xảy ra xâm thực luôn luôn kèm theo các phản ứng hóa học tại các điểm bị công phá. Một trong những sản phẩm của các phản ứng hóa học là các loại axit. Các axit này làm tăng khả năng ăn mòn kim loại. Điều này được khẳng định bằng thực nghiệm. Nếu thay các chi tiết bằng gốm, thủy tinh đặc biệt thì sự phá hoại ít đi. Các dạng xâm thực và các nơi thường bị xâm thực ( xem hình 4-1) - Xâm thực hình dạng : tại mặt sau của cánh BXCT, nơi xuất hiện vùng áp suất thấp 32
33. ` - Xâm thực khe hẹp: tại các khe hẹp (như khe hở giữa cánh BXCT với buồng BXCT tuabin, khe hở giữa van kim và miệng vòi phun) do vận tốc nước ở đây rất lớn làm áp suất giảm xuống rất thấp. - Xâm thực cục bộ : tại những chỗ gồ ghề cục bộ làm cho dòng chảy không bám vào bề mặt của thành dẫn được, gây nên xoáy nước và hình thành vùng chân không cục bộ. Khi xuất hiện hiện tượng xâm thực thì tuabin có các biểu hiện sau : - Tuabin làm việc không bình thường, máy rung mạnh và có tiếng ồn lớn. - Tổn thất thuỷ lực lớn, hiệu suất tuabin giảm xuống rõ rệt. Hiện tượng xâm thực làm xấu đi các chỉ tiêu vận hành an toàn và kinh tế của tuabin. Làm giảm mạnh công suất, khả năng thoát nước và hư hỏng các phần nước qua của tuabin. Vì vậy, trong vận hành không cho phép để xảy ra hiện tượng xâm thực tuabin. Muốn vậy, phải đảm bảo điều kiện áp suất nước ở bất kỳ điểm nào trong tuabin đều lớn hơn áp suất hoá hơi của nước. Hình 4-1 : 4.2 Hệ số xâm thực và chiều cao hút của tuabin: Người ta qui định một hệ số ký hiệu  là một đại lượng không thứ nguyên, trị số của nó phụ thuộc vào tình hình dòng chảy ở phần dẫn dòng BXCT tuabin. Ở chế độ làm việc tương tự, trị số này không đổi (là hằng số và là một trong các thông số đặc trưng cho mỗi kiểu tuabin nhất định), được gọi là hệ số xâm thực của tuabin, với giá trị đó thì tuabin bắt đầu xảy ra xâm thực tại chế độ làm việc đã cho. Để xác định hệ số xâm thực  người ta làm thí nghiệm mô hình trên bộ thí nghiệm xâm thực tuabin. Đặt : Hs = Ha – Hbh - H – 1,5 (m) (4-1) trong đó : Ha – áp suất khí trời (tính theo mét cột H2O) Hbh – áp suất hoá hơi (tính theo mét cột H2O)  - hệ số xâm thực H - cột nước tính toán (m) Hs - Gọi là chiều cao hút của tuabin. Chú ý : - Giá trị 1,5 m trong công thức trên có ý nghĩa dự phòng để bảo đảm mức độ an toàn nhất định bởi vì hiện tượng xâm thực có thể xảy ra sớm hơn so với số liệu thí nghiệm mô hình. Công thức 4-1còn có thể viết ở dạng : 33
34. ` Hs = 10 - /900 -H -1,5 (m) (4-2) Trong đó :  - cao độ mặt nước hạ lưu so với mặt nước biển (m) Hình 4-2: Chiều cao hút của tuabin là khoảng cách từ mép ra cao nhất của cánh BXCT tuabin đến mực nước hạ lưu (xem hình 4-2). Ở đây H s lấy giá trị dương khi mực nước hạ lưu nằm thấp hơn BXCT và lấy giá trị âm khi mực nước hạ lưu nằm cao hơn BXCT. Ý nghĩa chiều cao hút : Với một chiều cao hút nào đó cho trước, thay vào biểu thức 4-1 hoặc 4-2 trên ta sẽ tìm được một giá trị ’ nào đó (giá trị ’ này còn được gọi là hệ số xâm thực công trình). So sánh ’ với trị số  tại chế độ làm việc nhất định có được do làm thí nghiệm mô hình (xem trên đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin), nếu ’ >  thì áp suất tuyệt đối của dòng nước tại vị trí khảo sát sẽ lớn hơn áp suất hóa hơi và sẽ không xuất hiện xâm thực trong tuabin và ngược lại. Bảng 4-1: Quan hệ giữa áp suất khí trời với cao độ (so với mặt biển) ∆T (m) 0 100 200 300 400 500 600 800 1000 1200 H = p /γ a a 10,33 10,21 10,09 9,97 9,85 9,73 9,62 9,34 9,16 8,94 (m) Bảng 4-2 : Quan hệ giữa áp suất hoá hơi và nhiệt độ nước t0C 0 5 10 15 20 25 30 40 H = p /γ bh bh 0,06 0,09 0,13 0,17 0,24 0,32 0,43 0,75 (m) 4.3 Các biện pháp phòng chống xâm thực Muốn loại trừ hoặc để hạn chế tác hại do xâm thực đến mức thấp nhất, trong thực tế ngành tuabin thường sử dụng các biện pháp sau đây : - Xác định chiều cao hút Hs hợp lý. Chiều cao hút tính toán của tuabin phải xác định sao cho bằng chiều cao hút cho phép. Với chiều cao hút đó, một mặt sẽ đảm bảo tuabin làm việc không xảy ra xâm thực hoặc có xâm thực nhẹ với mức độ cho phép, đồng thời đảm bảo cho tuabin không lắp đặt ở độ sâu quá thấp so với mực nước hạ lưu (Hs) kinh tế. Chẳng hạn ở Nga, chiều cao hút H s chọn sao cho độ sâu lớn nhất của tuabin so với mực nước hạ lưu thường khoảng 6  8m. Nếu chọn nhỏ hơn phạm vi nói trên sẽ làm tăng khối lượng xây dựng và giá thành phần dưới nước của NMTĐ. 34
35. ` - Nghiên cứu và hoàn thiện các kiểu BXCT sao cho có thể giảm hệ số xâm thực, có nghĩa là đảm bảo cho tuabin có chiều cao hút lớn hơn. Đồng thời việc giảm hệ số xâm thực sẽ cho phép tăng phạm vi cột nước sử dụng của các kiểu tuabin. Chính vì vậy người ta có thể sử dụng tuabin tâm trục với cột nước H = 700m. - Một trong các biện pháp bảo vệ các bộ phận của phần nước chảy qua của tuabin khỏi bị phá hoại do tác dụng xâm thực là chọn hợp lý các nguyên vật liệu chế tạo. - Biện pháp hạn chế xâm thực trong vận hành NMTĐ : Duy trì tuabin làm việc ở chế độ không khí thực hoặc xâm thực chỉ biểu hiện ở mức nhẹ. Dẫn không khí vào phía dưới BXCT để làm giảm bớt khí thực và giảm áp lực mạch động. Nếu không khí được dẫn đúng nơi và số lượng không khí vừa phải thì có thể làm giảm độ rung máy. 35
36. ` Chương 5 : THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VÀ ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CỦA TUABIN 5.1 Thí nghiệm mô hình tuabin Tuabin nước là thiết bị có kích thước lớn, vì vậy khó có điều kiện để làm thí nghiệm với kích thước nguyên mẫu tại hiện trường. Người ta thường xác định các đặc tính năng lượng, xâm thực và lồng tốc cũng như việc nghiên cứu thiết kế tuabin thường được tiến hành trong phạm vi phòng thí nghiệm với kích thước nhất định, thu nhỏ nhiều lần so với kích thước tuabin thật. Như đã đề cập ở phần luật tương tự tuabin trong chương 2, để đảm bảo thí nghiệm chính xác, tuabin mô hình và tuabin thực phải tuân theo các tiêu chuẩn tương tự. Thí nghiệm mô hình chia ra hai loại : thí nghiệm đặc tính năng lượng và thí nghiệm xâm thực. a. Thí nghiệm đặc tính năng lượng của tuabin Mô hình tuabin dùng trong bộ thí nghiệm năng lượng có đường kính trong khoảng 250 ÷ 460 (800) mm. Bộ thí nghiệm năng lượng gồm có máng thượng lưu 1, máng hạ lưu 2, bể chứa 3, máy bơm 4, mô hình tuabin 5 có buồng xoắn và ống hút tương tự hình học được lắp vào giữa hai máng 1 và 2. Khi làm việc, nước từ máng 1 chảy qua tuabin vào máng 2. Lưu lượng được đo bằng đập tràn thành mỏng 6 (công thức tính lưu lượng theo giá trị h được kiểm định bằng phương pháp dung tích). Nước sau khi qua đập tràn chảy vào bể chứa 3, từ đó dùng bơm bơm nước lên máng thượng lưu 1 hình thành hệ thống chảy tuần hoàn. Để duy trì mực nước ở máng thượng lưu không đổi ta đặt ngưỡng tràn 7 ; nước tràn được đưa về bể chứa 3. Lưới chắn 8 và 9 nhằm làm cho dòng chảy ở các máng trở nên bằng phẳng, chảy êm. Cột nước ở bộ thí nghiệm năng lượng nằm trong khoảng 2 ÷ 6m. Hình 5-1 : Bộ thí nghiệm năng lượng Các trị số đo đạc chính trong bộ thí nghiệm là : lưu lượng Q (đo bằng lớp nước tràn h), cột nước H (xác định từ các ống đo áp 10,11 phần tổn thất trước cửa vào buồng xoắn có thể xem xét bổ sung), tốc độ quay n (xác định bằng máy đo tốc độ quay 36
37. ` hay đếm 12) và công suất trên trục tuabin N T. Để đo công suất này dùng máy hãm. Thường dùng kiểu điện từ. Rôto 13 của máy hãm gắn vào trục tuabin mô hình, còn stato 14 của máy hãm gắn vào giá 15. Khi rôto quay lực tương hỗ điện từ kéo stato, song nó bị dây thừng 16 nối vào cân đo 17 hãm lại. Biết lực kéo của dây là P, bán kính quay là r thì có thể xác định được mômen trên trục tuabin M = P.r (N.m). Công suất M.n trên trục tuabin là : N = (kW). (5-1) 9550 Hiệu suất tuabin mô hình tính theo công thức : N ηM = (5-2) 9,81.Q.H Thí nghiệm tiến hành theo trình tự sau : Đặt độ mở cánh hướng a 0 ở một số vị trí, đó là các vị trí 8/8, 7/8, 6/8, 5/8, 4/8, 3/8 (ít khi dùng 2/8) của độ mở cánh hướng lớn nhất. Cho tuabin làm việc với tốc độ quay n khác nhau bằng cách thay đổi mức hãm, rồi đo đạc các thông số Q, H, n, M ở các chế độ làm việc ổn định. Từ đó tính được n’1, Q’1, ηM và xây dựng các đường cong quan hệ giữa từng cặp thông số hoặc nhiều thông số với nhau. Từ các đường đặc tính quan hệ xây dựng đặc tính tổng hợp của mô hình. Trong thí nghiệm năng lượng, ngoài việc xác định hiệu suất còn xác định tốc độ quay lồng, lực dọc trục ở BXCT, lực tác động lên cánh BXCT, lực tác động lên cánh hướng. b. Thí nghiệm xâm thực Người ta sử dụng bộ thí nghiệm xâm thực để xác định các chỉ tiêu về xâm thực, mô hình tuabin dùng trong thí nghiệm xâm thực có đường kính khoảng 250 ÷ 460 mm Bộ thí nghiệm xâm thực gồm có đường ống dẫn 1, mô hình tuabin 2, máng hạ lưu kiểu kín (thùng chứa kín 3), ống dẫn nước tuần hoàn 4,5 và máy bơm 6. Bộ thí nghiệm kiểu kín với dung tích nước không đổi đảm bảo duy trì mực nước hạ lưu. Khi tiến hành thí nghiệm, đo các thông số sau : lưu lượng Q đo bằng ống Venturi 7 (đo trị số h), cột nước H đo bằng độ chênh áp H (có cộng thêm cột nước vận tốc trong đường ống 1), công suất N đo bằng máy hãm 8 và cân đo 9, độ chân không ở mặt thoáng thùng chứa 3 đo bằng chân không kế. Bơm chân không 10 tạo chân không trong thùng chứa 3. Để trong quá trình thí nghiệm không sản sinh hiện tượng xâm thực trong máy bơm 6, máy bơm được đặt thấp hơn thùng chứa 3 khoảng 10 ÷ 15 m. Khi cho bộ thí nghiệm Hình 5-2 làm việc phải gia nhiệt cho nước thí : nghiệm, nhất là khi cần điều chỉnh bơm bằng khoá van đặt ở cạnh máy bơm. Để duy trì nhiệt độ nước dùng ống xoắn gia nhiệt, có khi phải thêm nước ở thùng chứa 3 và xả bớt nước từ đường ống 5. Thông thường bộ thí nghiệm này sử dụng cột nước trong khoảng 20 ÷ 30m. Song để thu nhập số liệu đáng tin cậy, sử dụng bộ thí nghiệm với cột nước tối thiểu 150 ÷ 200m hoặc cao hơn. 37
38. ` Nguyên lý xác định hệ số khí thực như sau : Giữ áp lực nước tại mặt thoáng thùng chứa kín 3 không đổi và bằng p 3 (= γH3). Hệ số xâm thực công trình xác định theo công thức : p p 3 H bh  s   = (5-3) H Trong đó : pbh là áp suất hoá hơi của nước ở nhiệt độ thí nghiệm Hs là khoảng cách từ thùng chứa 3 đến cao độ đặt BXCT tuabin Thay đổi p3 bằng cách điều chỉnh bơm chân không, ứng với các giá trị p 3 tạo ra và nhiệt độ của nước ta có các giá trị  theo công thức 5-3 trên, tiến hành đo và vẽ các đường quan hệ ηM = f() cho từng độ mở a0 của cánh hướng. Khi giảm hệ số xâm thực công trình  đến một trị số nào đó thì bắt đầu xuất hiện hiện tượng hiệu suất tuabin giảm rõ rệt do có hiện tượng xâm thực tuabin, ta gọi đó là hệ số xâm thực tới hạn T ở chế độ đó của tuabin. Do trị số  T tìm được trong thí nghiệm mô hình là lúc đã xảy ra hiện tượng khí thực, nên khi xác định cao trình đặt tuabin phải có độ dự trữ xâm thực trong công thức tính toán. Sử dụng các trị số  T tìm được có thể vẽ được các đường đồng trị số xâm thực trên đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin. 5.2 Đường đặc tính của tuabin a. Đường đặc tính đơn Với kết quả thực nghiệm, sau khi xác định được các thông số ở chế độ khác nhau, ta có thể thiết lập quan hệ giữa từng cặp thông số với nhau khi các thông số khác là hằng số. Quan hệ này được biểu diễn dưới dạng đồ thị và gọi là đường đặc tính đơn. Đặc tính công tác: Nếu dùng công suất hay lưu lượng làm đối số, ta gọi là đường đặc tính công tác. Trong quá trình làm việc của tuabin, do thông số n không đổi, còn H biến đổi chậm nên cũng có thể xem H = const, chỉ có Q (hay N) biến đổi trong phạm vi lớn làm các thông số khác biến đổi lớn. - Nếu xem xét các thông số a0, η, Q thay đổi theo N thì gọi là đường đặc tính công tác công suất. - Nếu xem xét các thông số a0, η, N thay đổi theo Q thì gọi là đường đặc tính công tác lưu lượng. Khi tăng công suất thì η tăng từ 0 đến cực đại rồi giảm xuống, còn công suất tuabin thì chỉ có thể tăng đến một giới hạn nào đó (NMTĐgh) dù cho thông số lưu lượng tăng thêm (tăng độ mở cánh hướng). Bởi vì lúc đó lưu lượng tăng thêm nhưng hiệu suất giảm nhanh nên công suất tuabin giảm , làm cho đường Q = f(N) có dạng móc câu như hình vẽ 5-3. Vì vậy, thường chỉ cho tuabin làm việc trong phạm vi N 0. Trị số lưu Hình 5-3 : Đặc tính công tác η, Q = f(N) lượng lúc này gọi là lưu lượng không tải Q kt . Lúc này, năng lượng trên trục quay do nước tạo ra chỉ vừa đủ cân bằng với sức cản môi trường để hình thành tốc độ quay đó. 38
39. ` Đặc tính vòng quay Đặc tính này biểu thị các thông số của tuabin Q, N,  là hàm số của vòng quay n đối với các độ mở a0 khác nhau. Đặc tính cột áp Đặc tính này biểu thị quan hệ giữa các thông số của tuabin với cột áp tuabin, với các giá trị độ mở a 0 khác nhau và n = const : Q = f(H); N = f(H);  = f(H). Cột áp của tuabin là một đại lượng thay đổi theo hàng tháng, hàng năm. b. Đường đặc tính tổng hợp của tuabin : Đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin Đường đặc tính tổng hợp chính của một kiểu tuabin đặc trưng cho mẫu tuabin đó, được xây dựng từ thí nghiệm mô hình với D 1 = const và H = const, do nhà chế tạo tuabin cung cấp. Đặc tính này là lý lịch của tuabin mô hình và qua đó đánh giá khả năng làm việc và chất lượng của tuabin mô hình, nó là tài liệu gốc để chọn tuabin. Đối với tuabin tâm trục và chong chóng bao giờ cũng có đường dự trữ công suất 5%, còn đối với tuabin cánh quay không có đường này vì ở điểm này đặc tính xâm thực đã không cho phép làm việc. Đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin nói lên mối quan hệ giữa các thông số a0, φ,  với hai thông số chính n1’ và Q1’, được thể hiện bằng các đường đồng Hình 5-4 : Đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin trị số trên toạ độ n1’, Q1’ để thể hiện mối quan hệ giữa các thông số trong điều kiện D 1 = 1m và H = 1m. Đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin : Đường đặc tính tổng hợp vận hành là đường đặc tính tổng hợp của tuabin thực, làm việc ở NMTĐ. Trong thực tế vận hành NMTĐ thì đường kính tuabin đã xác định và tốc độ quay của tuabin không đổi, nên chỉ còn các thông số khác biến đổi tuỳ thuộc vào cột nước và lưu lượng làm việc (hay công suất làm việc) của NMTĐ. Vì vậy, đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin biểu diễn mối quan hệ của các thông số như η, a 0, Hs với hai thông số chính là Q (hoặc N) và H (khi D1 = const, n = const) -hình 5-5. Nó được dùng để chỉ đạo vận hành NMTĐ là chủ yếu, cũng có khi dùng nó trong việc chọn lựa tuabin. Đường đặc tính tổng hợp vận hành được xây dựng từ đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin. 39
40. ` Trên đường đặc tính tổng hợp vận hành có đường giới hạn công suất làm việc lớn nhất của tuabin là đường xiên, còn đường thẳng đứng là giới hạn do điều kiện làm việc của máy phát điện. Cột nước tương ứng với giao điểm của hai đường này là cột nước Hình 5-5: Đường đặc tính tổng hợp vận hành tuabin nhỏ nhất mà tuabin có thể phát đủ công suất tính toán, gọi là cột nước tính toán. c. Đặc tính quay lồng của tuabin: Trường hợp phụ tải tổ máy bị cắt đột ngột mà cánh hướng dòng không đóng lại thì tốc độ quay của tuabin sẽ tăng lên và sau một thời gian ngắn sẽ đạt tới trị số cực đại, ta gọi tổ máy quay lồng , tốc độ quay lớn nhất khi tổ máy quay lồng gọi là tốc độ quay lồng, ký hiệu n 1 . Hiện tượng quay lồng xảy ra khi có sự cố ở bộ phận hướng dòng của tuabin hoặc ở bộ phận điều chỉnh tuabin trong vận hành hoặc khi thí nghiệm quay lồng tuabin trong phòng thí nghiệm. Tốc độ quay lồng tuabin thường được đặc trưng qua đại lượng quy dẫn của chúng, xác định theo công thức : H max n1 n'11 (5-4) D1 Trong đó, n’11 là tốc độ quay lồng quy dẫn, lấy từ đường đặc tính quay lồng của kiểu tuabin đó. Trị số tốc độ quay lồng quy dẫn được xác định từ thí nghiệm mô hình. Từ kết quả thí nghiệm thu được xây dựng thành đường đặc tính quay lồng của kiểu tuabin đó. Tốc độ quay lồng lớn nhất xảy ra khi các cánh hướng dòng được mở lớn nhất, tức ứng với trường hợp a 0max trong vận hành. Đối với tuabin cánh quay, ngoài độ mở a 0 của BPHD, tốc độ quay lồng tuabin còn phụ thuộc vào góc đặt cánh BXCT φ. 40
41. ` Chương 6 : LẮP ĐẶT- VẬN HÀNH TUABIN 6.1 Lắp đặt tổ máy : Một đặc điểm của công trình thuỷ điện lớn là tổ máy có kích thước rất lớn (đường kính tổ máy có thể tới hàng chục mét, chiều cao có thể tới mấy chục mét). Vì vậy, ở nhà máy chế tạo chỉ có thể chế tạo các bộ phận chi tiết và lắp thử thành cụm rồi tháo ra (theo định vị) và có khi còn phân thành các mảnh nhỏ để có thể vận chuyển đến công trường. Do đó, công tác lắp đặt tổ máy tốn khá nhiều thời gian. Hơn nữa, có một số bộ phận của tuabin như buồng xoắn, ống hút tuabin của NMTĐ lớn, nó cũng là kết cấu bêtông của NMTĐ. Công tác lắp đặt tổ máy gồm : - Lắp đặt phần thiết bị đặt sẵn (chôn trong bêtông), những phần này thường là phần côn ống hút, stato tuabin, buồng xoắn, đường ống, bulông móng Các chi tiết này được lắp đặt hiệu chỉnh xong mới đổ bêtông, cũng có thể đổ bêtông trước song phải chừa vị trí để lắp đặt phần thiết bị đặt sẵn này. - Công tác lắp cụm (tổ hợp). Với tổ máy lớn thì BXCT, rôto máy phát, nắp tuabin, stato máy phát có thể phân thành nhiều mảnh chở đến công trường nhà máy rồi mới lắp thành BXCT, rôto máy phát, nắp tuabin, stato máy phát Thường tổ chức lắp cụm tại sàn lắp máy, riêng các mảnh stato có thể tổ hợp thành stato tại vị trí làm việc. - Công tác lắp đặt các thiết bị vào vị trí làm việc. Sau khi lắp cụm xong, các thiết bị được cẩu vào vị trí làm việc theo tuần tự BXCT, nắp tuabin, stato máy phát, rôto máy phát, nối trục. Công tác căn chỉnh : Do ở nhà máy chế tạo thiết bị không thể kiểm tra đầy đủ các yêu cầu về lắp đặt được, vì vậy công tác căn chỉnh tại công trường rất quan trọng, có ý nghĩa quyết định đến chất lượng của tổ máy trong vận hành. Các vấn đề cần kiểm tra hiệu chỉnh trong lắp đặt tổ máy là : - Kiểm tra mối hàn buồng xoắn kim loại hàn. - Kiểm tra độ tròn, độ đồng tâm (BXCT, côn ống hút, stato, rôto, các chi tiết tròn xoay), khe hở giữa các phần quay và không quay, cao độ của các chi tiết (xác định theo cao độ lắp đặt tuabin). - Kiểm tra độ thẳng đứng (độ cong vênh), độ đảo trục. Điều này rất quan trọng vì khi nối trục, trục có thể bị vênh, nghiêng, không đồng tâm dẫn đến đảo trục, khi vận hành máy sẽ bị rung. - Kiểm tra cân bằng tĩnh, cân bằng động, khống chế độ rung cho phép. Công việc kiểm tra độ tròn, độ đồng tâm và dụng cụ đo, hiệu chỉnh : - Kiểm tra hiệu chỉnh độ tròn của côn ống hút. Kéo dịch thành ống bằng tăngđơ. - Kiểm tra độ tròn, độ đồng tâm của buồng BXCT bằng dây dọi và thước đo. - Kiểm tra độ tròn, độ đồng tâm tại mặt bích nối trục. - Kiểm tra độ tròn của BXCT bằng giá đo có gắn đồng hồ so. - Kiểm tra độ tròn, độ đồng tâm của stato máy phát bằng dây dọi, thước đo hoặc giá đo có gắn đồng hồ so và dùng kích để hiệu chỉnh độ tròn của stato máy phát. - Vần trục kiểm tra độ đồng tâm của rôto máy phát. - Kiểm tra độ đồng tâm giữa mặt bích trục tuabin và mặt bích trục máy phát. 41
42. ` - Kiểm tra độ đồng tâm của trục tổ máy. Bằng cách sau khi nối trục xoay trục 1800, thông qua số đọc trên đồng hồ so để xác định độ đảo trục, độ cong vênh khi nối trục. Hình 6-1 : Kiểm tra căn chỉnh tuabin 6.2 Một số vấn đề trong vận hành tổ máy : Trong vận hành thông thường tổ máy làm việc ở vùng hiệu suất cao, rung ít. Hạn chế vận hành ở cột nước thấp. Đối với tuabin tâm trục, công suất nhỏ nhất trong vận hành tổ máy thường là (50% ÷ 60%)NTmax, còn đối với tuabin cánh quay, công suất nhỏ nhất trong vận hành tổ máy thường là (30% ÷ 40%)NTmax. Hình 6-2: Kiểm tra căn chỉnh tuabin a. Hiện tượng xâm thực : Như đã trình bày ở chương 4, khi bị xâm thực, máy chạy không bình thường, như chế độ làm việc không ổn định, có tiếng ồn, rung mạnh, hiệu suất giảm mạnh. Sau thời gian dài vận hành có xâm Hình 6-2 : Lắp đặt tuabin thực, thì bộ phận dẫn dòng 42
43. ` tuabin (BXCT, buồng BXCT ) có chỗ bị xâm thực, bề mặt kim loại của nó bị ăn mòn lỗ chỗ như tổ ong. Hình 6-3 : Cánh BXCT và bề mặt kim loại bị xâm thực Để hạn chế hiện tượng xâm thực trong vận hành phải đảm bảo không để xuất hiện vùng áp suất thấp (thấp tới áp suất hơi hoá hơi) tại phần dẫn dòng của tuabin. Cũng có thể sử dụng biện pháp bổ sung không khí vào dòng chảy tại BXCT khi áp suất nước hạ xuống quá thấp. Khi tiến hành sửa chữa lớn phải tìm kiếm phát hiện và mài nhẵn những chỗ gồ ghề làm dòng chảy không bám vào thành prôphin cánh, phải đục bỏ hết các chỗ bị xâm thực rồi hàn đắp lại hoặc phun kim loại rồi mài nhẵn. Để hạn chế xâm thực, vật liệu thép làm BXCT phải là thép không rỉ, có độ bền mỏi cao. b. Hiện tượng cát bào mòn : Khi dòng chảy qua tuabin lẫn nhiều hạt cát thạch anh có độ cứng lớn (thường gặp ở sông suối miền núi mùa lũ, nơi tuyển quặng ), với vận tốc lớn, cát sẽ bào mòn các bộ phận dẫn dòng như : đường ống, vòi phun, cánh BXCT tuabin thành các rãnh theo phương dòng chảy. Để hạn chế cát bào mòn cánh BXCT tuabin thông thường phải làm bể lắng cát trên đường dẫn nước, làm lắng đọng các hạt cát cứng có kích thước lớn (d > 0,25 mm) không cho chúng chảy vào đường ống dẫn nước và BXCT tuabin. Khi phát hiện thiết bị bị cát bào mòn, không đủ độ bền cơ học thì phải thay thế hay phải sửa chữa bằng hàn đắp hoặc phun kim loại. Hình 6-4: BXCT bị cát bào mòn Do xâm thực và cát bào mòn, trọng lượng BXCT của tuabin sẽ bị giảm, độ bền của cánh tuabin bị giảm và hiệu suất cũng giảm. Thông thường với tuabin làm việc bình thường thì sau thời gian vận hành 25000 ÷ 30000 giờ phải sửa chữa lớn tổ máy, thay thế các bộ phận hư hỏng. Tuổi thọ của máy thông thường trên 30 năm. c. Hiện tượng xoáy trung tâm Khi bánh công tác quay ở tốc độ bình thường, dòng nước xả ra từ ống hút chảy theo hướng trục và mômen lớn nhất được tạo ra. Tuy nhiên, nếu lưu lượng thay đổi, góc ra dòng chảy cũng thay đổi. 43
44. ` Khi tốc độ xoáy của dòng chảy từ BXCT vượt quá một mức nhất định, xuất hiện một khoảng chân không bên trong ống hút dưới BXCT. Hiện tượng này gọi là “Xoáy trung tâm”. Khi lưu lượng dòng chảy tăng, góc ra trở nên lớn hơn, phát sinh hiện tượng xoáy trung tâm có hướng ngược với hướng quay của BXCT. Khi lưu lượng dòng chảy giảm, góc ra trở nên nhỏ hơn, xoáy trung tâm có hướng cùng chiều với chiều quay của BXCT. Khi xoáy trung tâm trở nên nhiễu loạn, chấn động xuất hiện, công suất phát của tuabin có thể giảm xuống. Khi xoáy trung tâm phát sinh trong Hình 6-5: Hiện tượng xoáy trung tâm trường hợp quá tải, có lượng nước rất lớn trong ống hút, do vậy tương đối ổn định và không có vấn đề gì đặc biệt xảy ra. Tuy nhiên, nếu xoáy trung tâm phát sinh tải nhỏ, sẽ dẫn đến dao động. Nó phát sinh và mất dần trong một chu kì lặp lại không đổi, sóng chu kì cũng phát sinh trong ống hút và kết quả là sự rung động được truyền ra bên ngoài. d. Hiện tượng xoáy cục bộ Ngoài xâm thực và xoáy trung tâm, sự rung động cũng có thể phát sinh bởi “Xoáy cục bộ”, loại xoáy có thể phát sinh riêng lẻ dọc theo dòng chảy qua các cánh BXCT. “Xoáy cục bộ” phát sinh tương đối thường xuyên dọc theo dòng chảy. Các biện pháp khắc phục Ống cấp không khí đưa dòng không khí tới vùng trống chân không và khử chân không. Các gờ (xem hình) được bố trí để kiềm chế các thành phần lưu tốc trong dòng xoáy ở ống hút và các gờ này ngăn cản phát sinh xoáy trung tâm. e. Vấn đề rung : Một vấn đề cần lưu ý nữa trong vận hành tổ máy là vấn đề rung của tổ máy. Trong vận hành không cho phép tổ máy làm việc ở chế độ phụ tải và cột nước mà ở đó máy rung vượt quá trị số cho phép. Máy rung mạnh sẽ làm giảm độ bền và nền móng chóng hư hỏng. Nguyên nhân máy rung có nhiều, thường là do các nguyên nhân sau (đối với tổ máy trung bình và lớn) : - Rung do mặt bích nối trục bị nghiêng làm trục tổ máy vênh, không thẳng. - Rung do trục quay và mặt phẳng tựa tại ổ đỡ không thẳng góc. - Rung do phân bố vật chất tại phần quay (rôto) không đồng đều, trọng tâm không nằm trên trục quay. - Rung do lực điện từ phân bố không đều khi quay. - Rung do áp lực nước tác dụng không đều khi quay. - Rung do khuyết tật tại ổ đỡ, ổ hướng. - Rung do bulông móng không chặt - Rung do hiện tượng xâm thực của tuabin. 44
45. ` Chương 7 : TUABIN FRANCIS LẮP ĐẶT TẠI NMTĐ A VƯƠNG NMTĐ A Vương (tỉnh Quảng Nam), cách thành phố Đà Nẵng 110 km về phía tây có tổng công suất 210 000 KW gồm hai tổ máy được trang bị tuabin Francis trục đứng. Hình dưới là cắt ngang nhà máy qua tâm tổ máy (thiết kế bố trí thiết bị). Hình 7-1: Cắt ngang NMTĐ A Vương 7.1 Cơ sở lựa chọn tuabin : Cột nước tác dụng lên tuabin thay đổi khoảng từ 321 m đến 266 m, với giải cột nước này chắc chắn không thể sử dụng hệ tuabin cánh quay (Kaplan, Capxun hay Chong chóng) vì hệ tuabin này chỉ sử dụng cho cột nước thấp và lưu lượng lớn. Như vậy ứng với cột nước này có hai lựa chọn là sử dụng tuabin Pelton hoặc là tuabin Francis. Tuy nhiên với độ thay đổi mức nước rất lớn này, sử dụng tuabin Francis là hợp lý hơn vì tuabin Francis có hiệu suất tương đối cao, kết cấu đơn giản và tin cậy trong vận hành trong khi tuabin Pelton là hoàn toàn không thích hợp. 45
46. ` Để thuyết phục hơn có thể so sánh hai loại tuabin thông qua tham khảo biểu đồ chỉ số giá giữa hai loại tuabin theo cột nước và lưu lượng tổ máy, khi đó tuabin Pelton có chỉ số giá P = 1.5 còn tuabin Francis có P = 1.15. Tức tuabin Pelton đắt hơn loại Francis đến 30%. Như vậy, có thể kết luận loại tuabin duy nhất có thể áp dụng cho thủy điện A Vương là tuabin Francis 7.2 Các thông số thiết kế chính của tuabin : Các đặc tính : - Công suất định mức : 107 MW - Cột nước tính toán : 300 m - Tốc độ định mức : 375 v/ph - Tốc độ lồng : 650 v/ph (xấp xỉ) - Cao trình đặt tuabin : 50.5 m - Chiều quay : Theo chiều kim đồng hồ nhìn từ trên xuống Điều kiện vận hành : Tuabin sẽ vận hành dưới các điều kiện mực nước và cột nước hiệu dụng như sau : Cao trình mực nước thượng lưu ( So với mực nước biển ) - Mực nước gia cường MNGC) : 381.2 m - Mực nước dâng bình thường (MNDBT) : 380.0 m - Mực nước chết (MNC) : 340.0 m Mực nước hạ lưu : - Lớn nhất (lũ kiểm tra) : 86.30 m - Một tổ làm việc ở công suất định mức : 55.40 m - Hai tổ làm việc ở công suất định mức : 56.20 m - Thấp nhất : 54.30 m Cột nước hiệu dụng : - Lớn nhất (một tổ làm việc) : 321.0 m - Tính toán (hai tổ làm việc 142.5 MW) : 300.0 m - Thấp nhất (hai tổ làm việc) : 266.0 m 7.3 Tính toán các thông số tuabin : Công suất tuabin : Công suất tuabin được xác định theo công thức sau : NT = Công suất tổ máy/hiệu suất máy phát (7-1) = 105 000/0,982 = 107 000 KW (Đối với NMTĐ A Vương hiệu suất máy phát lấy gần đúng 0,982) Lưu lượng thiết kế của tuabin : Lưu lượng thiết kế của tuabin được xác định từ công thức (1-5) NT = 9,8.Q.H.ηT , suy ra : N 107000 Q = T = 39,2 m3/s 9,8.H.T 9,8.300.0,93 Trong đó : H - cột nước tính toán, bằng 300m ηT - hiệu suất tuabin tại điểm tính toán ước tính 0,93 46
47. ` Tốc độ định mức và hệ số tỷ tốc : Tốc độ định mức của tuabin được xác định theo công thức : 1.25 nS .H n = 0.5 (7-2) NT Với : nS : hệ số tỷ tốc tuabin (m-kW) H : cột nước tính toán (= 300 m) NT : công suất tuabin (=107 000 kW) nS được xác định theo các công thức kinh nghiệm sau : 21000 nS = JEC -4001 (1992) (7-3) H 25 3470 nS = WP. 1976 (7-4) H 0.625 1914 nS = WP. 1987 (7-5) H 0.512 Từ đó ta có kết quả tính toán dưới đây : Công thức JEC-4001 WP. 1976 WP. 1987 nS (v/ph) 99.6 98.2 103 N (v/ph) 380 374.8 393 Từ kết quả bảng trên, ta có thể chọn tốc độ định mức của tuabin : n = 375 v/ph và nS = 98.3 v/ph (lấy theo bảng 1-1 về tốc độ đồng bộ tuabin) Chiều cao hút HS và cao trình đặt tuabin : Chiều cao hút HS được tính theo công thức sau (chưa đưa vào giá trị 1,5 m dự trữ theo công thức 4-1 ) : HS = Ha – Hbh - H (7-6) Với : Ha : cột áp khí quyển (lấy theo bảng 4-1 với cao trình của tuabin là 50.5m, bằng 10,27m) o Hbh : cột áp hoá hơi ở nhiệt độ trung bình t = 26 C, lấy theo bảng 4-2, xấp xỉ 0,36 m.  : hệ số khí thực tính toán H : cột áp tính toán (= 300m) Hệ số khí thực tính toán  có thể ước tính theo nhiều công thức kinh nghiệm khác nhau : 1.5 n Theo công thức của hãng HITACHI : = 0,048. S (7-7) 100 47
48. ` 1.732 n Theo công thức của hãng EPDC : = 0,0477. S (7-8) 100 -5 1.41 Theo công thức WP. 1976 : = 7,54.10 .nS (7-9) n 1.61 Theo công thức EPRI : = S (7-10) 34325 n 1.64 Theo công thức USBR : = S (7-11) 39564 Áp dụng các công thức nêu trên cho NMTĐ A Vương với n S = 98.3 cho các kết quả ghi dưới đây : Công thức HITACHI EPDC WP.1976 EPRI USBR  0.0468 0.0463 0.0486 0.0470 0.0468 HS (m) -4.14 -3.99 -4.68 -4.20 -4.14 Từ kết quả bảng trên chọn : HS = -4.7 m Cao trình đặt tuabin được xác định như sau :  = HL + HS Với :  : cao trình tâm cánh hướng nước HL : mực nước hạ lưu ứng với lưu lượng 1 tổ máy (=55.4 m)  = 55.4 + (-4.7) = 50.7 m Chọn cao trình đặt tuabin :  = 50.5 m Hiệu suất trung bình gia quyền của tuabin : Hiệu suất trung bình gia quyền của tuabin được tính theo công thức sau : 351 452 153 54 ηtb = (7-12) 100 Với :η 1 : Hiệu suất tuabin ở cột nước tính toán và 100% công suất định mức η2 : Hiệu suất tuabin ở cột nước tính toán và 80% công suất định mức η3 : Hiệu suất tuabin ở cột nước tính toán và 60% công suất định mức η4 : Hiệu suất tuabin ở cột nước tính toán và 40% công suất định mức Dựa vào đường đặc tính nguyên mẫu xây dựng từ đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin do nhà chế tạo cung cấp (xem chương 8), ta có : η1 = 94.09; η2 = 94.54; η3 = 91.07; η4 = 85.02 Từ đó tính được ηtb = 93,38% Tốc độ quay lồng n1 : Tốc độ lồng tối đa của tuabin được ước tính bằng các công thức kinh nghiệm sau : Công thức nêu trong WP. 1987 : 0.422 -3 H max n1 = n.(1.5 + 1.533.10 .nS). (7-13) H Với : n1 : Tốc độ quay lồng (v/ph) n : Tốc độ định mức (= 375 v/ph) nS : Hệ số tỷ tốc (= 98.3 v/ph) H : Cột nước tính toán (= 300 m) 48
49. ` Hmax : Cột nước lớn nhất (= 321.1 m) Tính được n1 = 637 v/ph Công thức của USBR : 0.5 0.2 H max n1 = n.(0.64876.nS ). (7-14) H Tính được n1 = 630 v/ph Từ các tính toán trên, tốc độ quay lồng của tuabin ước tính không vượt quá 650 v/ph 7.4 Giới thiệu chung cụm tuabin : Như trên hình 7-1 trình bày, cụm tuabin gồm van tuabin nối với đường ống áp lực phía trước tuabin, tuabin và hệ thống cơ-thuỷ lực-điện tử (hệ thống điều tốc). Hình 7-2 : Cụm tuabin nhìn từ trên xuống Các kích thước chung của tuabin được cho ở hình dưới đây. Trong đó chú ý các kích thước chính như : - Đường kính BXCT : 2900 mm - Đường kính vành điều chỉnh cánh hướng : 3544 mm - Đường kính phần buồng xoắn nối với van tuabin : 2000 mm - Chiều cao phần xả của ống hút : 3700 mm. - Chiều cao cánh hướng : 232 mm Hình 7-3 : Kích thước chính tuabin 49
50. ` 7.5 Kết cấu của tuabin : Hình 7-4 là cắt dọc tuabin Francis với chú thích các bộ phận chính của nó. Kết cấu tuabin gồm các bộ phận chính sau : 1. Nối trục với rôto máy phát. 2. Trục chính. 3. Thép lót hầm tuabin. 4. Ổ hướng. 5. Kín trục. 6. Cánh hướng. 7. Buồng xoắn. 8. Bánh xe công tác. 9. Côn ống hút. 10. Lối vào hầm tuabin. 11. Khuỷa ống xả Hình 7-4 : Cắt dọc tuabin Khuỷa cong ống hút : Khuỷa cong ống hút có kết cấu hàn gồm nhiều gân tăng cứng làm từ thép cacbon tấm. Được tổ hợp tại công trường, bắt bulông và hàn lại. Buồng xoắn và Stato tuabin : 50
51. ` Buồng xoắn và stato tuabin có kết cấu hàn, được chế tạo từ thép tấm cuốn có chiều dày 32 hoặc 36 mm. Buồng xoắn gồm hai nửa sẽ tổ hợp và hàn lại tại công trường. Có bố trí lỗ chui đường kính 600 mm vào bên trong. Buồng xoắn sẽ được chôn trong bêtông, khi đổ bêtông, để tránh lực tác động vào bêtông khi vận hành sau này, buồng xoắn sẽ được nạp áp suất tương đương với cột áp 300 m. Ngoài ra, khi lắp đặt buồn xoắn sẽ được thử áp 630 m cột nước. Thép lót hầm tuabin : Làm từ thép tấm thường, có bố trí lỗ chui vào bên trong. Côn ống hút : Gồm hai phần trên và dưới, có gân làm từ thép tấm. Phần côn trên bắt bulông với tấm nắp dưới tuabin. Phần tiếp xúc với nước làm thép không rỉ. Phần côn dưới có lắp lỗ đường kính 600 mm vào bên trong. Trang bị thêm một van để kiểm tra còn nước bên trong hay không. Phần côn dưới còn có gioăng chống rò rỉ nối với khuỷa cong. Côn ống hút không chôn vào bêtông, buồng côn ống hút thông với buồng van tuabin. Bánh xe công tác : Bánh xe công tác có đường kính 2900 mm, làm từ thép hợp kim có tính chống xâm thực cao với 15%Cr và 4% Ni , có kết cấu hàn và cân bằng tĩnh cũng như xử lý nhiệt nhằm giảm ứng suất tại xưởng chế tạo. BXCT gồm mặt bích, cánh và vành. Cánh làm từ thép dày, có biên dạng gia công chính xác và bề mặt phẳng. Bích BXCT sẽ được nối với trục chính. BXCT có các vành kín kiểu labyrinth nối với nắp trên và dưới, các vành này có thể tháo được. Trục chính : Trục chính có chức năng truyền mômen xoắn từ BXCT đến rôto máy phát. Làm từ thép hợp kim phôi rèn. Phần tiếp xúc giữa trục chính và kín trục có vành thép không rỉ. Trục chính kiểu rỗng, đường kính ngoài 800 mm, đường kính trong 560 mm. Phần ngõng trục tiếp xúc với ổ hướng có đường kính 1120 mm. Mặt bích nối với máy phát và bích của BXCT có 18 lỗ bulông M85x4. Cơ cấu phân phối : Cơ cấu phân phối chính là tổ hợp các bộ phận có chức năng dẫn dòng chảy vào BXCT hay chặn dòng chảy khi dừng máy, bao gồm : nắp trên, nắp dưới, cánh hướng, Vành điều chỉnh và cơ cấu vận hành cánh hướng. Nắp dưới bắt bulông vào stato tuabin và có thể tháo xuống. Nắp trên bắt bulông vào stato. Nắp trên gồm có hai phần : phần trên và phần dưới. Trên mặt bích phần trên bố trí ổ hướng, trên mặt bích phần dưới bố trí kín trục. Vành labrinth của kín trục bích BXCT gắn vào mặt dưới phần dưới nắp trên. Bề mặt các bộ phận trên đều làm bằng thép không rỉ. Các cánh hướng làm bằng thép không rỉ có tính chống xâm thực cao. Mỗi cánh hướng có hai ổ để chặn và hướng. Đầu mút dưới đặt tiếp xúc lên bề mặt nắp dưới (không có ổ chặn như thông thường). Cơ cấu vận hành cánh hướng gồm có : vành điều chỉnh, thanh nối, chốt, tay đòn và chốt ma sát. Vành điều chỉnh là kết cấu thép hàn, được đặt bên trong vòng tròn cánh hướng. Các cánh tay đòn nối với cánh hướng bằng các chốt ma sát. Động cơ secvô : Các động cơ secvô có chức năng vận hành các cánh hướng với áp lực dầu là 120 bar. Các động cơ này có kết cấu dạng xilanh thuỷ lực. 51
52. ` Ổ hướng : Hình 7-5 : Ổ hướng tuabin Ổ hướng có tác dụng định vị trục và đỡ các tải trọng mất cân bằng của tuabin. Ổ hướng là loại bôi trơn bằng dầu, có các vấu tự điều chỉnh với bề mặt babbitt. Khe hở giữa các vấu và trục tuabin được điều chỉnh bằng các bulông neo. Vở ổ hướng là kết cấu hàn, bích vỏ ổ hướng được đặt trên mặt bích nắp trên tuabin. Kín trục : Kín trục bố trí bên dưới ổ hướng có tác dụng ngăn không cho nước bắn lên phần nắp trên kể cả khi vận hành và đứng yên. Kín trục có hai phần : kín trục chính và kín trục vận hành. Kín trục chính có dạng kín, làm bằng thép không rỉ. Nước sạch được cấp vào kín trục chính, áp Hình 7-6 : Kín trục tuabin suất nước này phải lớn hơn áp suất dòng chảy tuabin qua vị trí kín trục. Kín trục vận hành sử dụng khi tuabin dừng, cho phép xem xét và thay thế các bộ phận của kín trục chính không cần phải tháo khô tuabin. Kín trục phụ vận hành bằng khí nén với áp suất khoảng 8 kg/cm2 . 7.6 Van tuabin Mỗi tuabin được trang bị một van (kiểu van cầu) đặt phía trước tuabin và nối với đường ống áp lực. Van tuabin được mở bởi hai động cơ secvô thủy lực và đóng bởi hai đối trọng với các chức năng : - Đảm bảo kín trục sau khi tổ máy dừng - Đóng sự cố khi điều khiển tuabin hỏng hoặc đoạn ống sau van bị vỡ - Tháo khô tuabin để bảo trì 52
53. ` Dầu áp lực phần quay của van được lấy từ hệ thống dầu áp lực tuabin, van có khả năng trượt trên các giá đỡ truyền các tác động dọc trục vào đường ống, tải trọng từ xilanh được truyền lên móng bêtông. Van phải đóng sau khi tuabin dừng. Van được mở ở điều kiện cân bằng bằng cách mở van by-pass. Bình thường van đóng khi không có dòng chảy, tuy nhiên van được thiết kế để cắt lưu lượng sự cố gây ra bởi sự vỡ ống phía hạ lưu van. Hình dưới mô tả van với các kích thước và bộ phận chính 1. Van cầu 2000 mm 2. Động cơ secvô 3. Đoạn ống vào 4. Khớp nối co dãn 5. Van by-pass 6. Van khí Hình 7-7 : Van tuabin 53
54. ` Chương 8 : THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH TUABIN FRANCIS CỦA NHÀ MÁY LMZ (LB NGA) 8.1 Giới thiệu : Thí nghiệm mô hình tuabin được thực hiện tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu thuỷ lực của Nhà máy LMZ ở Saint. Petecburg. Mục đích của thí nghiệm là kiểm tra toàn diện các đảm bảo về đặc tính của tuabin thực, đồng dạng với tuabin mô hình ở phòng thí nghiệm. Mục đích khác nữa là chứng minh tuabin thực không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng xâm thực theo các thông số hiệu suất, công suất và lưu lượng trong dãy cột nước, ống hút và mực nước hạ lưu nhỏ nhất. Các thí nghiệm sau sẽ được thực hiện : - Thí nghiệm hiệu suất hay đặc tính năng lượng. - Thí nghiệm xâm thực - Thí nghiệm lồng tốc - Đo đạc sự chênh lệch áp suất ở các vòi phun áp trên buồng xoắn. Các thí nghiệm trên dựa theo hướng dẫn của Tiêu chuẩn IEC 60193-1999. Trước khi tiến hành thí nghiệm, các thiết bị dụng cụ đo được kiểm tra cũng như hiệu chuẩn thiết bị đo lưu lượng bằng phương pháp cân. 8.2 Các thông số cơ bản của tuabin mô hình : Kiểu tuabin Trục đứng Bánh xe công tác Loại Francis Đường kính BXCT 460 mm 8.3 Mô tả bộ thí nghiệm : Sơ đồ thí nghiệm được cho ở hình dưới đây. Bộ thí nghiệm được trang bị cho phép thí nghiệm tuabin mô hình với đường kính BXCT đến 460 mm, cột áp đến 60 m và lưu lượng từ 0,05 đến 0,9 m3/s. Các đầu nối 12, 16 và 17 nối bộ thí nghiệm với thiết bị cân hiệu chuẩn để xác định hệ số lưu lượng. Như vậy bộ thí nghiệm hoạt động như một mạch kín. Van khoá 9 đóng đường ống khi bộ thí nghiệm hoạt động ở chế độ bơm. Van kim điều khiển 6 luôn luôn mở. Nó cũng được sử dụng để thay đổi tốc độ dòng chảy ở chế độ bơm. Bơm li tâm điều chỉnh tốc độ 7 cấp nước cho các bể 5. Từ các bể 5 nước chảy qua ống cao áp, hệ thống đo lưu lượng thuận nghịch 4 nối với bồn áp lực 2 và tuabin mô hình 1 và sau đó với bồn chân không 3, từ đó quay trở lại ống hút của bơm. 8.4 Mô tả tuabin mô hình : Bộ phận dẫn nước của tuabin mô hình từ mặt cắt vào buồng xoắn đến phần ra ống hút được chế tạo đồng dạng về mặt hình học với tuabin thực. Đường kính BXCT tuabin mô hình và tuabin thực tuân theo qui luật đồng dạng với một tỷ lệ nhất định. Các dung sai không vượt quá theo tiêu chuẩn IEC 60193-1999. Trong quá trình thí nghiệm, các thông số : Độ mở cánh hướng, tốc độ quay, cột áp và độ chân không ở bồn chân không (khi thí nghiệm khí thực) phải được xác định. Các cánh hướng điều chỉnh bằng động cơ điện. Độ mở được cài đặt và đọc trên bộ điều khiển. Tốc độ quay được điều chỉnh bằng cách thay đổi tải trên máy phát. 54
55. ` Cột áp được điều chỉnh bằng áp suất vi sai của áp kế có pittông xoay. Áp kế có thiết bị điện tử đặc biệt để chuyển vị trí pittông đến bàn điều khiển. Cột áp tĩnh cài đặt trước phù hợp với giá trị trọng lượng trên tấm pittông. Độ chân không tạo ra bởi bơm chân không và được điều chỉnh bằng cách đọc trên đồng hồ chỉ thị chính xác. Hình 8-1: Sơ đồ thí nghiệm 55
56. ` Hình 8-2: Mô hình thí nghiệm 1. Bơm ly tâm; 2. Mối nối bù; 3. Van cửa; 4. Bộ điều khiển dòng chảy kiểu kim; 5. Bồn cao áp; 6. Ống áp lực; 7. Ống Venturi đo lưu lượng; 8. Khớp co dãn; 9. Khuỷa cong có cánh hướng dòng; 10. Bồn áp lực; 11. Tuabin môhình cùng máy phát; 12. Bồn chân không; 13. Ống giảm áp; 14. Đường ống vào đến bộ hiệu chuẩn cân; 15. Đường ống ra đến bộ hiệu chuẩn cân; 16. Đầu nối cơ. 8.5 Các phương pháp đo đạc và tính toán : a. Giới thiệu : Việc ghi nhận và xử lý các dữ liệu được thực hiện tự động bằng hệ thống máy tính và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu nối với bộ đếm xung (gọi chung là hệ thống máy tính - HTMT). Có phần mềm chuyên dụng sử dụng cho mục đích này. Các tham số trạng thái thí nghiệm sau được đo bằng HTMT : 56
57. ` - Mô men trên trục quay - Tốc độ quay trục - Sai lệch áp suất ở các mặt cắt đo (đo cột áp) - Sai lêch áp suất ở ống Venturi (đo lưu lượng) - Mức độ dòng chảy bằng thiết bị đo dòng từ tính (để quan sát) - Áp suất tuyệt đối ở mặt cắt ra (xác định hệ số xâm thực) - Sai lêch áp suất Winter-Kennedy (đo sai lệch áp suất giữa các vòi đo áp trên buồng xoắn) - Nhiệt độ nước (để tính tỷ trọng , áp suất hoá hơi và độ nhớt động học) Có các thiết bị điện tử và thuỷ lực độc lập được sử dụng để xác định : - Áp suất không khí môi trường xung quanh - Thể tích không khí trong nước của bộ thí nghiệm. Các tham số thí nghiệm đo trong 30 giây. Mối thông số được đo 30 lần, mỗi lần trong 1 giây. Kết quả thí nghiệm được lấy trung bình theo đoạn thời gian. Các giá trị cần thiết được tính toán, hiển thị và in ra. b. Đo lưu lượng Lưu lượng được đo bằng ống Venturi, ngoài ra lưu lượng còn được đo bằng dụng cụ đo điện từ để giám sát. c. Đo cột áp Cột áp “H” được xác định bằng hiệu năng lượng giữa mặt cắt đầu vào và đầu ra của tuabin mô hình : E E P V 2 P V 2 H = 1 2 1 1 Z 2 2 Z (8-1) 1 g g g 2g g 2g Trong đó : P1 và P2 - Áp suất thuỷ tĩnh ở mặt cắt đầu vào và đầu ra của tuabin V1 và V2 - Tốc độ dòng chảy ở các mặt cắt này, Z1 và Z2 – Cao độ của các mặt này so với một mặt chuẩn. d. Đo mômen xoắn Stato máy phát quay tự do, có tay đòn nối stato với bộ chuyển đổi đo lực nhận được mômen xoắn “M” trên trục có thể tính được từ lực kéo cánh tay đòn và chiều dài của nó. Từ đó có thể tính được công suất trên trục theo mômen xoắn và tốc độ quay. e. Đo tốc độ quay Trên trục tuabin có gắn 1 đĩa có nhiều lỗ, căn cứ vào tín hiệu của lỗ trên đĩa này chuyển vào HTMT để đo tốc độ quay. f. Đo áp suất tuyệt đối ở mặt cắt ra tuabin Bộ chuyển đổi áp suất tuyệt đối nối vào bồn chân không ở vị trí được xem như mặt cắt ra của ống hút để đo áp suất tuyệt đối “Pabs” Áp suất tuyệt đối liên quan đến chiều cao hút thực (NPSH) : P P NPSH = abs t , (8-2) g Trong đó : Pabs - Áp suất tĩnh tuyệt đối ở tâm mặt cắt đầu ra ống hút, Pa Pt – Áp suất hoá hơi ở nhiệt độ nước khi đo, Pa. 57
58. ` g. Đo sai lệch áp suất trên buồng xoắn (hiệu chuẩn cho việc đo lưu lượng tuabin bằng phương pháp Winter-Kennedy) Sự sai lệch áp suất giữa các vòi đo trên buồng xoắn, ký hiệu P w-k được đo bằng các bộ chuyển đổi áp suất vi sai. h. Xử lý kết quả thí nghiệm trên máy tính HTMT sẽ thu nhận dữ liệu, tính toán các tham số và in ra các báo cáo thí nghiệm. Chương trình máy tính sẽ cho ra các thông số sau : Lưu lượng Sử dụng biểu thức : P Q = K q , m3/s (8-3) q g Trong đó : Kq - Hệ số lưu lượng, được xác định khi hiệu chuẩn bằng phương pháp cân, m2.5/s, Pq – Sai lệch áp suất trên các mặt cắt đo lưu lượng, Pa ρ - Tỷ khối nước được tính toán theo hàm nhiệt độ ρ = f(t w) cài đặt trong chương trình máy tính, kg/m3 g – Gia tốc trọng trường, m/s2 Cột áp sử dụng các giá trị đo sai lệch áp suất trên các mặt cắt và tốc độ dòng chảy Sai lêch áp suất “P”, tương ứng với cột áp thực “H” được tính bằng tổng đại số chênh áp tĩnh giữa mặt cắt vào và ra và sai lệch chiều cao của chúng cũng như chênh lệch về tốc độ dòng chảy trên các mặt này : P = ρgH = Pst + Pdyn, (8-4) Trong đó : Pst = P1 + ρgZ1 – (P2 + ρgZ2) 2 2 2 V1 V2 1 1 Q Pdyn = (8-5) 2 2 2 2 2 A1 A2 2 Trong đó : A1 và A2 - Diện tích các mặt vào và ra tuabin, m Do đó : 1 1 Q 2 P = Pst + , Pa (8-6) 2 2 2 A1 A2 Bộ chuyển đổi áp suất vi sai sử dụng để đo Pst. Mặt cắt vào được lắp 4 vòi đo áp và mặt cắt ra – 8 vòi Hiệu suất tuabin sử dụng các giá trị đo mômen, tốc độ quay, lưu lượng và cột áp. n M M .n η = m 100 m. 100% (8-7) 30 gHQ 30 PQ Hệ số xâm thực  sử dụng các giá trị đo áp suất tuyệt đối, cột áp và nhiệt độ nước H H H H P P  = b s v t abs t (8-8) H P 58
59. ` Trong đó : Pabs = ρg(H b – Hs – Hv) – Áp suất tuyệt đối trên mặt chuẩn cho giá trị chiều cao hút tính bởi chuyển đổi áp suất tuyệt đối, kgf/m2 Hb – Áp suất không khí xung quanh, m cột nước Hv - Độ chân không trong bồn chân không Pt = ρgH t – Áp suất hoá hơi lấy từ hàm P t = f(tw) từ chương trình máy tính, kgf/m2 0 tw - Nhiệt độ nước, C P = ρgH – Áp suất tương ứng với cột áp thực kgf/m2 Chương trình máy tính sẽ đưa ra hai chỉ số : IS - Chỉ số ổn định tốc độ quay; IP – Chỉ số ổn định cột áp. Nếu các chỉ số này không vượt quá giá trị cho phép thì kết quả tính toán được in ra, ngược lại sẽ phải đo đạc lại từ đầu. Chương trình máy tính sẽ in ra các giá trị của đường đặc tính tổng hợp nD1 a) Tốc độ qui dẫnn 11 = , rpm (8-9) H Q 3 b) Lưu lượng qui dẫnQ 11 = 2 , m /s (8-10) D1 H N c) Công suất qui dẫnN 11 = 2 , kW (8-11) D1 H H M d) Mômen qui dẫnM 11 = 3 , Nm (8-12) D1 H Các đại lượng trên đặc trưng cho tuabin qui về đường kính BXCT = 1m, cột áp 1m. Trong đó : D1 - Đường kính BXCT, m n - Tốc độ quay, rpm H - Cột áp thực của tuabin mô hình Q – Lưu lượng thực qua tuabin mô hình, m3/s M – Mômen xoắn, Nm N – Công suất tuabin mô hình, kW Ngoài ra chương trình máy tính còn đưa ra chỉ số Reynolds Reu cần thiết để phóng lớn các đường đặc tính thí nghiệm mô hình thành đặc tính của tuabin thực : 2 D2U D2 n Reu = (8-13) v 60 v Trong đó : U - tốc độ biên của đường kính D2, m/s i. Hiệu chuẩn các thiết bị đo Các thiết bị chuyển đổi lực, tốc độ quay, áp suất vi sai qua dòng chảy tại các mặt cắt đo của mô hình và chuyển đổi áp suất tuyệt đối được hiệu chuẩn tại hiện trường và kiểm tra trước- sau khi thí nghiệm. Hiệu chuẩn đo lưu lượng thực hiện bằng thiết bị cân chính xác. 59