Tài liệu Tuabin thuỷ lực thuỷ điện.

GIÁO TRÌNH TUABIN THUỶ LỰC MỤC LỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG GIÁO TRÌNH...............................................................................6 CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TUABIN THỦY LỰC ..........................................................7 1.1 Tuabin nước và sự phát triển của nó .................................................................................. 7 1.2 Phân loại tuabin ............................................................................................................. 9 1.2.1. Tuabin phản kích ................................................................................................ 10 1.2.2. Tuabin xung kích ................................................................................................ 11 1.3 Khái quát về cấu tạo tuabin ............................................................................................ 12 1.3.1. Cấu tạo của tuabin phản kích ............................................................................... 13 1.3.2. Cấu tạo của tuabin gáo ........................................................................................ 24 1.4 Các bộ phận phụ của tuabin ........................................................................................... 25 1.4.1. Van phá chân không ........................................................................................... 25 1.4.2. Van xả không tải (van xả bỏ) ................................................................................ 26 1.4.3. Van tuabin ......................................................................................................... 27 1.5 Câu hỏi chương 1 ......................................................................................................... 28 CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA TUABIN ......................................................................29 2.1. Khái niệm về chuyển động tương đối và tuyệt đối, hình tam giác tốc độ. .......................... 29 2.2. Phương trình cơ bản của tuabin ................................................................................... 30 2.3. Dòng chảy trong tuabin xung kích ................................................................................ 32 2.3.1. Tam giác tốc độ cửa vào và cửa ra BXCT ............................................................... 32 2.3.2. Phương trình cơ bản của tuabin gáo...................................................................... 33 2.4. Sự tổn thất năng lượng và hiệu suất của tuabin ............................................................. 34 2.4.1. Tổn thất dung tích (ΔQ) ....................................................................................... 34 2.4.2. Tổn thất thủy lực (ΔH) ......................................................................................... 34 2.4.3. Tổn thất cơ khí ................................................................................................... 34 2.5. Điều kiện hiệu suất cao của tuabin ............................................................................... 35 2.4.1. Chảy vào không va .............................................................................................. 35 2.4.2. Chảy ra thẳng góc (hình 2.6) ................................................................................ 36 2.6. Sự điều chỉnh lưu lượng .............................................................................................. 38 2.7. Câu hỏi chương 2 ....................................................................................................... 40 CHƯƠNG 3: THUYẾT TƯƠNG TỰ VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG.............................................................41 QUY DẪN CỦA TUABIN ....................................................................................................................41 3.1. Khái niệm cơ bản ....................................................................................................... 41 3.2. Các điều kiện tương tự ................................................................................................ 41 3.2.1. Tương tự về hình học .......................................................................................... 41 3.2.2. Tương tự về động học .......................................................................................... 41 3.2.3. Tương tự về động lực học..................................................................................... 42 3.3. Các hệ số vận tốc dòng chảy trong BXCT ..................................................................... 43 3.4. Tương quan giữa số vòng quay, lưu lượng và công suất của hai tuabin cùng kiểu làm việc với chế độ cùng góc .......................................................................................................... 44 3.4.1. Quan hệ về số vòng quay ...................................................................................... 44 3.4.2. Quan hệ về số lưu lượng ...................................................................................... 44 3.4.3. Quan hệ về cột nước tuabin .................................................................................. 44 3.4.4. Quan hệ về công suất .......................................................................................... 45 3.5. Các đại lượng quy dẫn ................................................................................................ 45 3.5.1. Khái niệm chung ................................................................................................ 45 3.5.2. Các đặc trưng quy dẫn của tuabin ......................................................................... 45 3.5.3. Quan hệ giữa các đại lượng quy dẫn với dạng cánh BXCT và chế độ làm việc của nó .. 46 3.5.4. Sự liên hệ giữa các đại lượng quy dẫn của các tuabin cùng kiểu có hiệu suất khác nhau. 47 3.6. Số vòng quay đặc trưng của tuabin (tỷ tốc ns của tuabin)................................................ 48 3.7. Hiệu suất của hai tuabin tương tự về hình học (cùng kiểu).............................................. 49 3.8. Câu hỏi chương 3: ...................................................................................................... 51 CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ DẪN NƯỚC VÀ THÁO NƯỚC CỦA TUABIN PHẢN KÍCH....................52 4.1. Phân loại, tác dụng và cấu tạo của buồng tuabin............................................................ 52 4.1.1. Tác dụng và phân loại ......................................................................................... 52 4.1.2. Các kiểu buồng tuabin và phạm vi ứng dụng .......................................................... 52 4.1.3. Các thông số cơ bản của buồng xoắn ..................................................................... 54 4.2. Ảnh hưởng của buồng xoắn đến đặc tính tuabin ............................................................ 57 4.2.1. Các loại tổn thất.................................................................................................. 57 4.2.2. Phương pháp tính toán thủy lực. ........................................................................... 58 4.3. Lựa chọn kích thước buồng tuabin cỡ nhỏ .................................................................... 60 4.3.1. Buồng hở chữ nhật dùng cho tuabin trục đứng (hình 4.5) ........................................ 60 4.3.2. Buồng hở chữ nhật dùng cho tuabin trục ngang (hình 4.6)....................................... 60 4.4. Stato tuabin ............................................................................................................... 64 4.5. Công dụng của ống hút ............................................................................................... 66 4.5.1. Tuabin không có ống hút (hình 4.5a). .................................................................... 67 4.5.2. Tuabin có ống hút hình trụ (hình 4.5b). ................................................................. 67 4.5.3. Tuabin có ống hút hình nón cụt (hình 4.5c). ........................................................... 68 4.6. Tổn thất năng lượng của ống hút ................................................................................. 70 4.6.1. Tổn thất thủy lực bên trong ống hút ...................................................................... 70 4.6.2. Tổn thất động năng ở cửa ra ống hút ..................................................................... 71 4.6.3. Hệ số thu hồi động năng của ống hút .................................................................... 72 4.7. Các kiểu ống hút thường dùng ..................................................................................... 74 4.7.1. Ống hút chóp...................................................................................................... 74 4.7.2. Ống hút cong...................................................................................................... 79 4.8. Câu hỏi chương 4 ....................................................................................................... 83 CHƯƠNG 5: KHÍ THỰC VÀ CHIỀU CAO HÚT CỦA TUABIN ......................................................84 5.1. Hiện tượng khí thực và tác hại của nó........................................................................... 84 5.1.1. Nguyên nhân hình thành của hiện tượng khí thực .................................................. 84 5.1.2. Loại khí thực ...................................................................................................... 85 5.1.3. Tác hại của khí thực ............................................................................................ 86 5.2. Hệ số khí thực ............................................................................................................ 87 5.3. Xác định chiều cao hút và cao trình lắp đặt tuabin của trạm thủy điện ............................ 88 5.4. Các biện pháp phòng chống khí thực ............................................................................ 91 5.5. Phương pháp thí nghiệm khí thực ................................................................................ 92 5.6. Câu hỏi chương 5: ...................................................................................................... 93 CHƯƠNG 6: THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VÀ ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH TUABIN .....................................94 6.1. Ý nghĩa và nhiệm vụ của thí nghiệm mô hình ................................................................ 94 6.2. Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm .......................................................................................... 94 6.3. Đường đặc tính tuabin ................................................................................................ 97 6.3.1. Đường đặc tính tuyến tính.................................................................................... 98 6.3.2. Đường đặc tính tổng hợp ..................................................................................... 98 6.4. Quan hệ giữa đường đặc tính thường dùng với loại tuabin............................................ 102 6.4.1. Đường đặc tính tổng hợp chính .......................................................................... 102 6.4.2. Đường đặc tính công tác ................................................................................... 102 6.4.3. Đường đặc tính tổng hợp vận hành ..................................................................... 103 6.5. Xây dựng đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin đã chọn ................................. 104 6.5.1. Tính đổi đường quan hệ hiệu suất. ...................................................................... 104 6.5.2. Tính đổi đường hạn chế công suất....................................................................... 107 6.5.3. Vẽ đường đồng chiều cao hút Hs. ........................................................................ 109 6.6. Các đường đặc tính của trạm thủy điện ...................................................................... 109 6.7. Câu hỏi chương 6 ..................................................................................................... 124 CHƯƠNG 7 CHỌN KIỂU LOẠI VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TUABIN ..........................125 7.1. Vấn đề tiêu chuẩn hóa tuabin .................................................................................... 125 7.2. Phạm vi sử dụng cột nước của các loại tuabin thường dùng hiện nay ............................. 128 7.3. Chọn tuabin theo đường đặc tính tổng hợp chính (ĐĐTTHC). ...................................... 129 7.3.1. Chọn hệ tuabin và kiểu BXCT ............................................................................ 130 7.3.2. Xác định các thông số cơ bản của tuabin.............................................................. 131 7.3.3. Số vòng quay lồng ............................................................................................. 134 7.3.4. Lực dọc trục ..................................................................................................... 134 7.3.5. Buồng tuabin ................................................................................................... 134 7.3.6. Ống hút ........................................................................................................... 134 7.4. Chọn tuabin theo biểu đồ sản phẩm ........................................................................... 134 7.5. Lựa chọn các thông số cơ bản của tuabin gáo .............................................................. 135 7.4.1. Các thông số thủy lực cơ bản của tuabin gáo. ....................................................... 135 7.4.2. Xác định các thông số cơ bản của tuabin gáo. ....................................................... 137 7.6. Ví dụ về chọn tuabin ................................................................................................. 138 7.7. Câu hỏi chương 7: .................................................................................................... 145 CHƯƠNG 8: ĐIỀU CHỈNH TURBIN NƯỚC ....................................................................................146 8.1. Nhiệm vụ cơ bản của điều chỉnh tuabin ...................................................................... 146 8.2. Cấu tạo và đặc điểm của hệ thống điều chỉnh turbin nước ............................................ 147 8.3. Các sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ turbin .............................................................. 148 8.3.1. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động trực tiếp..................................................... 148 8.3.2. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp. ................................................... 149 8.4. Sự làm việc song song của các turbin. ......................................................................... 152 8.5. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc phản hồi mềm có độ không đều còn dư ............................ 155 8.5.1. Bộ phận thay đổi số vòng quay. ........................................................................... 158 8.5.2. Bộ phận hạn chế độ mở. .................................................................................... 158 8.6. Các sơ đồ nguyên lý điều chỉnh kép ............................................................................ 159 8.8.1. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh kép của turbin cánh quay. ........................................... 159 8.8.2. Sơ đồ điều chỉnh kép ở turbin tâm trục có cột nước cao.......................................... 160 8.8.3. Sơ đồ điều chỉnh kép của turbin gáo .................................................................... 160 8.7. Thiết bị dầu có áp của máy điều tốc ............................................................................ 161 8.8. Động cơ tiếp lực........................................................................................................ 163 8.8.1. Động cơ tiếp lực để quay cánh hướng nước .......................................................... 163 8.8.2. Động cơ tiếp lực của BXCT turbun cánh quay ...................................................... 164 8.8.3. Động cơ tiếp lực của van xả không tải ................................................................. 165 8.8.4. Động cơ tiếp lực của turbin gáo. ......................................................................... 166 8.9. Lựa chọn hệ thống điều chỉnh .................................................................................... 166 8.9.1. Lựa chọn máy điều tốc ....................................................................................... 166 8.9.2. Lựa chọn thiết bị dầu áp lực (TBDAL) ................................................................. 167 8.10. Tính toán bảm đảm điều chỉnh tô máy phát điện thủy lực ................................... 168 8.10.1. ......................................................... Độ tăng áp lực nước trong quá trình điều chỉnh 168 8.10.2. ........................... Nước va trong hệ thống dẫn nước có tiết diện thay đổi theo chiều dài. 171 8.10.3. ...................................... Sự thay đổi tốc độ quay của turbin trong quá trình điều chỉnh 173 8.11. Câu hỏi chương 8: ........................................................................................... 176 CHƯƠNG 9: PHỤ LỤC.......................................................................................................................177 9.1. Máy phát điện thủy lực ............................................................................................. 177 9.1.1. Kí hiệu máy phát điện ........................................................................................ 177 9.1.2. Bảng tra các loại máy phát điện thủy lực .............................................................. 181 9.2. Tuabin thủy lực ........................................................................................................ 181 9.2.1. Trọng lượng turbin ........................................................................................... 181 9.2.2. Tính nhanh kích thước buồng xoắn .................................................................... 182 9.3. Đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin (ĐTTTHC) ................................................ 183 9.4. Máy điều tốc ............................................................................................................ 196 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................................201 CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG GIÁO TRÌNH Q - Lưu lượng S - Công suất biểu kiến (kVA); hành trình piston động cơ tiếp lực (ĐCTL) To - Thời gian mở cánh hướng nước Ts - Thời gian đóng cánh hướng nước tf - pha nước va u - tốc độ vòng v - Vận tốc tuyệt đối vo - vận tốc ban đầu khi τo và H = Ho vr - thành phần vận tốc hướng kính vu - thành phần vận tốc tiếp tuyến vz - thành phần vận tốc hướng trục v3 - vận tốc cửa vào ống hút v5 - vận tốc cửa ra ống hút Z1 - số cánh BXCT Zo - Số cánh hướng nước, số vòi phun của tuabin gáo α1 - góc nước vào α2 - góc nước ra β - góc quay cánh BXCT; mức biến đổi số vòng quay ϕ - góc đặt cánh BXCT; độ dày ống áp lực (δ) ζ - độ tăng áp lực nước va; hệ số tổn thất ζ1 - độ tăng áp lực nước va ở pha thứ nhất ζm - độ tăng áp lực nước va ở pha cuối cùng η - Hiệu suất Δη - Độ hiệu chỉnh hiệu suất ρ - hằng số đặc tính đường ống áp lực; bán kính tiết diện buồng xoắn kim loại σ - hệ số khí thực, hằng số đặc tính đường ống áp lực σgh - hệ số khí thực giới hạn σct - hệ số khí thực công trình τ - độ mở tương đối của tuabin τo - độ mở tương đối ban đầu τt - độ mở tương đối cuối cùng ϕmax- góc bao lớn nhất của buồng xoắn ω - vận tốc góc W - vận tốc tương đối Γ - lượng chảy vòng CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TUABIN THỦY LỰC 1.1 Tuabin nước và sự phát triển của nó Tuabin nước (Tuabin thủy lực) là một trong những thiết bị chủ yếu của Trạm Thủy Điện, được dùng để biến đổi năng lượng dòng nước (thủy năng) thành cơ năng làm quay máy phát điện. Tổ hợp tuabin và máy phát đện gọi là tổ máy phát điện thủy lực. Nó có hàng loạt các ưu điểm sau: - Hiệu suất của tổ máy phát điện thủy lực có thể đạt rất cao so với tổ máy nhiệt điện. - Thiết bị đơn giản, dễ tự động hoá, có thể điều khiển từ xa. - Ít sự cố và cần ít người vận hành. - Có khả năng làm việc ở phần phụ tải thay đổi. - Thời gian mở máy và thời gian dừng máy ngắn. - Không làm ô nhiễm môi trường. Đặc điểm thủy năng là một dạng năng lượng tái tạo được và có khả năng lợi dụng tổng hợp, do đó giá thành cho 1kWh điện do TTĐ phát ra rẻ hơn rất ngiều lần so với trạm nhiệt điện. Tuy vậy việc sử dụng thủy năng cũng có nhược điểm là điện lượng phát ra phụ thuộc vào sự phân bố dòng chảy theo thời gian, hơn nữa nhà máy thường xây dựng ở những nơi xa các trung tâm công nghiệp và các khu đô thị lớn nên đường dây tải điện dài, vốn đầu tư dựng TTĐ lớn, thời gian thi công dài nhưng nói chung về mặt kinh tế thủy điện vẫn tối ưu hơn. tuabin nước là loại máy thủy lực đầu tiên loài người dùng để sử dụng năng lượng thiên nhiên phục vụ đời sóng và sản xuất. Ở Ai Cập, Ấn Độ và Trung Quốc vào khoảng 1000 năm trước công nguyên đã sử dụng bánh xe nước với các dạng: bánh xe nước tác động dưới, bánh xe nước tác động giữa và bánh xe nước tác động trên dưới dạng biến đổi năng lượng. Đến nay ở nước ta bánh xe nước vẫn được sử dụng trên các suối vùng núi và trung du. Hình1-1: Các dạng bánh xe nước. Tuy nhiên mãi tới thế kỷ 16 thì việc sử dụng năng lượng nước mới tương đối rộng rãi và bánh xe nước mới có những cải tiến lớn. Nhưng từ bánh xe nước đến tuabin nước loài người phải trải qua tìm kiếm và nghiên cứu khá dài. Động cơ nước đầu tiên làm việc theo nguyên lý tác dụng phản kích của dòng nước do Beckeca người Anh (1745) và Xênhêra người Hung ga ri (1750) sáng chế. Kết cấu của loại động cơ này rất còn thô sơ nên hiêu suất rất thấp (khoảng 35÷40%). Trên cơ sở nghiên cứu và cải tiến động cơ nước của Xênhêra, nhà bác học Nga Ơle (1707-1783) đã thiết kế một loại động cơ nước khác, trong đó bộ phận hướng nước có cấu tạo giống bộ phận hướng nước của tuabin thường dùng hiện nay. Đến năm 1826 một giáo sơ người Pháp tên là Budena đã tìm ra một loại động cơ nước mới, được gọi là tuabin, tiếng La tinh, Tuabinens có nghĩa là các động cơ dạng xoắn ốc. Loại động cơ này cũng có đầy đủ các bộ phận như các bộ phận của các tuabin phản kích thường dùng hiện nay. Nhưng hình dạng cánh bánh xe công tác còn quá thô sơ và hiệu suất thấp nên vẫn chưa được ứng dụng trong thực tế. Trên cơ sở tiếp tục cải tiến tuabin của mình, khoảng thời gian 1827 – 1834 Budena đã sáng chế ra loại tuabin li tâm (hình 1.2a) có bộ phận hướng nước của tuabin gồm các cánh hướng nước cố định vòng quanh BXCT. Lưu lượng được điều chỉnh nhờ van hình trụ đặt giữa bộ phận hướng nước và BXCT. Cho đến đàu thế kỷ 18 vì chưa có cơ sở lí luận cũng như thiết kế nên công việc nên việc chế tạo động cơ nước mang tính thô sơ, riieng lẻ. Tuabin nước được chế tạo đầu tiên ở Liên Xô (1837) do U.E.Xaphônô sáng chế, đó cũng là loại tuabin phản kích li tâm với các cánh hướng nước cố định. So với các kiểu tuabin nói trên, tuabin của Xaphônô có hiệu suất và tốc độ cao so với điều kiện sản xuất lúc bấy giờ (khoảng 70%). Từ đầu thế kỷ 19 các tuabin hiện đại có cấu tạo hoàn chỉnh đã thay thế cho bánh xe nước và các động cơ nước trên đây. Những tiến bộ trong lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo tuabin phát triển rất nhanh, thời kì sau đó các tuabin hiện đại được xuất hiện. Tuabin tâm trục do kỹ sư Frăngxit (người Pháp) chế tạo năm 1830. Cùng với việc nghiên cứu phát minh loại tuabin phản kích, năm 1880 Pentơn đã sáng chế ra tuabin xung kích. Đến năm 1900 bộ phận hướng nước của tuabin này được cải tiến thành vòi phun và van kim giống như tuabin gáo ngày nay. Tuabin cánh quạt xuất hiện năm 1918, đến năm 1919 tuabin cánh quay ra đời (do kỹ sư Kaplan (người Mỹ) tìm ra). Đồng thời năm 1918 tuabin xung kích 2 lần do Bunki (người Hung ga ri) phát minh. Còn tuabin cánh chéo mãi đến năm 1950 mới xuất hiện (do giáo sư Liên Xô V.C.Kvalopki) sáng chế, nó là loại trung gian giữa tuabin tâm trục và cánh quay. Từ giữa thế kỷ 19 đến nay ngành sản xuất tuabin phát triển rất nhanh. Ngày nay việc chế tạo tuabin phát triển theo hướng nâng cao các thông số kỹ thuật như: tăng tỷ tốc và công suất của một tổ máy, giảm hệ số khí thực. Hình 1.2a: Tuabin ly tâm của Budena Hình 1.2b: Tuabin Pentơn Ở nước ta hiện nay đã có nhiều cơ sở đầu tư tiến bộ khoa học kỹ thuật cho việc chế tạo tuabin nước. Chúng ta đã chế tạo được một số tuabin nhỏ. Trong tương lai chúng ta sẽ chế tạo tuabin loại lớn hơn phục vụ cho công cuộc điện khí hoá và phục vụ sản xuất ở các địa phương xa lưới điện quốc gia. 1.2 Phân loại tuabin Dựa vào việc xây dựng các công trình thủy công người ta có thể tạo ra các cột nước của TTĐ rất khác nhau từ 1÷2m cho đến hàng nghìn m, lưu lượng nước cũng biến đổi rất lớn từ vài chục l/s đến hàng trăm m3/s nếu như điều kiện dòng chảy và địa hình cho phép. Yêu cầu đối với tuabin là có đủ khả năng đảm bảo sử dụng năng lượng dòng chảy với hiệu suất cao mà không bị hạn chế bởi bất kỳ cột nước và lưu lượng nào. Do đó cần có đủ các loại tuabin khác nhau về cấu tạo, kích thước cũng như quá trình làm việc của chúng. Khảo sát các thành phần năng lượng của dòng chảy chúng ta thấy năng lượng của dòng nước truyền cho bánh xe công tác cuả tuabin bằng độ chênh năng lượng của dòng chảy ở cửa vào và cửa ra. ⎛ p1 − p2 ⎞ α1V12 −α2V22 H = (Z1 − Z2 ) + ⎜ ⎟+ 2g γ 4 43 4 14442⎝4443⎠ 142 §éng n¨ng ThÕ n¨ng Vậy năng lượng dòng chảy gồm hai phần: Thế năng và động năng. Tùy theo dạng năng lượng của dòng chảy qua bánh xe công tác mà chia tuabin nước thành hai loại khác nhau: Tuabin xung kích và Tuabin phản kích. Tuabin phản kích là loại tuabin lợi dụng cả hai phần thế năng và động năng mà chủ ⎡ ⎛ pă − pâ ⎞⎤ ⎟⎟⎥ >0. Trong hệ tuabin này áp lực ở ⎝ γ ⎠⎦ yêu là thế năng của dòng chảy ⎢(Ză − Zâ ) + ⎜⎜ ⎣ cửa vào luôn lớn hơn áp lực cửa ra. Vì tiết diện ướt của BXCT co hẹp dần nên vận tốc dòng chảy qua tuabin tăng dần. Vì vậy BXCT của tuabin phản kích bao giờ cũng làm việc trong môi trường chất lỏng kín và liên tục và sự chênh lệch về áp lực ở cửa vào và cửa ra của BXCT quyết định đặc tính công tác của loại tb này. Tuabin xung kích là loại tuabin chỉ lợi dụng phần động năng của dòng chảy tác dụng lên BXCT còn phần thế năng bằng không. Ở tuabin này dòng chảy khi ra khỏi vòi phun thì toàn bộ thế năng dòng chảy biến thành động năng truyền năng lượng cho BXCT. Vì chảy trong môi trường khí quyển nên chuyển động của dòng chảy trên các cánh BXCT là chuyển động không áp nên còn gọi là tuabin dòng phun tự do. Tuabin phản kích và tuabin xung kích có tính năng và phạm vi sử dụng khác nhau. Tuabin dùng cho TTĐ có cột nước thấp và trung bình, lưu lượng lớn còn tuabin xung kích dùng cho TTĐ có cột nước cao, lưu lượng nhỏ. 1.2.1. Tuabin phản kích Tuabin phản kích là hệ tuabin được sử dụng rộng rãi nhất với phạm vi cột nước từ 1,5m đến 500m. Nó chuyển động do phản lực (lực phản tác dụng) của dòng nước lên cánh bánh xe công tác hình thành mômen quay của bánh xe công tác làm cho tuabin quay. Trong quá trình làm việc bánh xe công tác ngập toàn bộ trong dòng chảy áp lực vì thế nên còn gọi là dòng phun có áp. Theo sự khác nhau về hướng chảy của chất điểm dòng chảy trong bánh xe công tác có thể chia tuabin phản kích thường dùng ra làm ba loại: tuabin hướng trục (hình1-2a, 1-2d), tuabin tâm trục (hình1-2c) và tuabin cánh chéo (hình1-2b). Hình 1-3: Sơ đồ các phần qua nước của tuabin phản kích. a) Hướng trục trục đứng; b) Cánh chéo; c) Tâm trục; d) Hướng trục trục ngang; e) Gáo a. Tuabin tâm trục (hình 1-2c): Đặc điểm của tuabin tâm trục là dòng nước chảy vào bánh xe công tác theo mặt nằm ngang thẳng góc với trục sau đó đổi hướng dòng chảy song song với trục và ra khỏi BXCT. Tuabin còn được gọi là tuabin Franxit, nó được sử dụng ở các TTĐ có cột nước cao H = 30 ÷ 500m. b. Tuabin hướng trục (hình 1-2a, d): Tuỳ theo đặc điểm về cấu tạo và phương thức lắp trục, tuabin hướng trục có thể chia thành: Kiểu cánh quạt, kiểu cánh quay và kiểu chảy thẳng. Kiểu cánh quạt và kiểu cánh quay có dòng chảy vào và dòng chảy ra khỏi BXCT song song với trục tuabin. Chỉ khác nhau ở chỗ: tuabin cánh quạt thì cánh tuabin được gắn chặt với bầu BXCT còn ở tuabin cánh quay thì cánh tuabin có thể quay quanh trục cánh. Loại tuabin này thích hợp với cột nước thấp từ 3 ÷ 40m (cá biệt có cột nước H tới 80m). Do đặc tính công tác kém nên tuabin cánh quạt thường dùng cho TTĐ nhỏ còn tuabin cánh quay có hiệu suất cao trong phạm vi điều chỉnh vòng nên được sử dụng với các TTĐ lớn và trung bình. Đối với tuabin chảy thẳng thường sử dụng phương thức lắp trục ngang và có năng lượng tương đối tốt ở những TTĐ có cột nước thấp, do đó trong tương lai sẽ được áp dụng rộng rãi để khai thác năng lượng thủy triều. c. Tuabin hướng chéo (hình 1-2b): Đây là loại tuabin được kết hợp giữa tuabin tâm trục và tuabin cánh quay. Loại này được sử dụng trong phạm vi H = 30 ÷ 150m. Ở nước ta các loại tuabin này chưa được sử dụng. 1.2.2. Tuabin xung kích Tuabin xung kích gồm các kiểu chủ yếu sau: - Tuabin gáo (hình 1-4) - Tuabin tia nghiêng (hình 1-3a) - Tuabin xung kích hai lần (hình 1-5) Hình 1.4: Turrbin gáo 1. Vòi phun; 2. Cánh BXCT; 3. Miệng phun; 4. Van kim; 5. Vỏ máy Hình 1.5: Tuabin xung kích hai lần a. Tuabin gáo (hình 1-4) Tuabin gáo là loại tuabin xung kích có tính năng công tác tốt nhất và được sử dụng nhiều nhất với các loại TTĐ và vừa có cột nước cao (từ 300 ÷ 2000m) và lưu lượng nhỏ. Ở nước ta TTĐ Đa Nhim dùng tuabin gáo có H = 800m và công suất một tổ máy N = 40MW. b. Tuabin tia nghiêng (hình 1-3a) Tuabin này có trục tia nước tạo với mặt phẳng BXCT một góc nghiêng. Loại này hiện nay hầu như không còn sử dụng nữa vì hiệu suất và tính năng làm việc kém. c. Tuabin xung kích hai lần (hình 1-5) Với tuabin nay dòng chảy hai lần tác động lên cánh bánh xe công tác. Tuabin này thường được dùng cho các TTĐ cỡ nhỏ có N = 5 ÷ 100KW. Trong tất cả các loại tuabin hiện tại trên, ngày nay được sử dụng rộng rãi nhất và có lịch sử lâu dài nhất là: Tuabin gáo dùng với cột nước cao (200 ÷ 2000m) Tuabin tâm trục dùng với TTĐ có cột nước vừa (30 ÷ 700m) Tuabin cánh quay dùng ở TTĐ loại lớn và vừa có cột nước thấp (6 ÷ 80m). Tuabin cánh quạt dùng ở TTĐ vừa và nhỏ có cột nước thấp (6 ÷ 80m). Bốn loại tuabin này đã có những cống hiến to lớn trong sự nghiệp lợi dụng thủy năng thiên nhiên. Trong cuốn sách này chủ yếu giới thiệu về bốn loại tuabin nói trên. 1.3 Khái quát về cấu tạo tuabin Trong tuabin nước bộ phận ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tuabin đó là phần dẫn dòng. Phần dẫn dòng gồm ba bộ phận chính là: - Buồng dẫn Tuabin - Bánh xe công tác Ống hút tuabin Hình 1.6: Mặt cắt dọc tổ máy Các bộ phận phụ của tuabin gồm trục tuabin, ổ dẫn hướng, các thiết bị bôI trơn cho ổ trục, trục tuabin và trục máy phát, thiết bị điều chỉnh sự làm việc đồng bộ của tuabin và máy phát. Sau đây trình bày tỉ mỉ hơn kết cấu của các loại tuabin được sử dụng rộng rãi hiện nay. 1.3.1. Cấu tạo của tuabin phản kích Tuabin phản kích gồm có hệ tuabin tâm trục, cánh quay và cánh quạt, BXCT của tuabin phản kích làm việc trong môi trường chất lỏng liên tục và áp lực nước ở phía trước BXCT thường lớn hơn phía sau của nó. Xét về mặt cấu tạo, bất kì một hệ tuabin phản kích nào cũng gồm những bộ phận chính sau đây: Buồng tuabin, stato, bộ phận hướng nước (BPHN), BXCT, buồng BXCT, ống hút, trục, ổ trục và các thiết bị phụ của nó. Sáu bộ phận đầu hình thành bộ phận dẫn dòng (hay bộ phận qua nước) của tuabin còn trục và ổ trục là bộ phận kết cấu có nhiệm vụ tiếp nhận và truyền mômen quay từ BXCT đến rôto của máy phát điện. Trong các bộ phận nước qua thì BXCT là bộ phận trực tiếp biến đổi thủy năng thành cơ năng chuyển động quay. Bộ phận hướng nước có tác dụng làm thay đổi trị số và hướng vận tốc dòng chảy trước khi đi vào BXCT, còn ống hút được dùng để tháo nước từ BXCT về hạ lưu TTĐ. Dưới đây là cấu tạo các hệ tuabin phản kích. a. Tuabin tâm trục Như trên đã nói, chiều dòng nước lúc chảy vào BXCT tuabin tâm trục là hướng tâm (thẳng góc với trục quay) còn chảy ra khỏi BXCT thì theo hướng trục bởi thế hệ tuabin này gọi là tâm trục (ở một số nước còn gọi là tuabin Franxit). Phạm vi sử dụng cột nước của tuabin này từ 30 ÷ 550m. Hiện nay tuabin tâm trục lớn nhất được lắp ở TTĐ Kraxnôia (Liên Xô cũ) có công suất 50800KW và đường kính D1 = 7,5m. Hình 1.12 biểu thị mặt cắt dọc của tuabin tâm trục. Sau đây ta nghiên cứu cấu tạo các bộ phận chủ yếu của tuabin tâm trục. a.1. Buồng tuabin Buồng tuabin có tác dụng dẫn nước đều đặn vòng quanh bộ phận hướng nước của tuabin, gồm các kiểu: hở, chính diện, xoắn bê tông và xoắn kim loại. Buồng hở có cấu tạo đơn giản, thường được dùng ở các TTĐ có cột nước H < 10m, đường kính D1 < 1,6m. Còn đối với các tuabin có kích thước và cột nước lớn hơn thì BXCT không bố trí trong buồng hở mà trong buồng kín có mặt bằng hính xoắn ốc (còn gọi là buồng xoắn) nhờ đó sẽ đảm bảo cho phần dưới nước lẫn phần trên nước của TTĐ sẽ có kích thước nhỏ hơn. Trong chương 5 sẽ giới thiệu tỉ mỉ về buồng tuabin. a.2. Stato tuabin (vòng bệ) Sau khi qua buồng tuabin, nước sẽ chảy đến stato tuabin rồi vào bộ phận hướng nước. Stato tuabin có tác dụng truyền toàn bộ tải trọng phần trên nhà máy gồm trọng lượng toàn bộ tổ máy, sàn và bệ máy phát điện, áp lực nước dọc trục tác dụng lên BXCT và khối bê tông phủ trên nó xuống móng nhà máy. Stato tuabin gồm một số cột chống (2) với tiết diện ngang hình đường dòng liên kết với vành đỡ trên (1) và vành đỡ dưới (3) (hình 1.4). Có hai kiểu stato: kiểu cột riêng rẽ (hinh 1.4a) và kiểu vòng (hình 1.4b). Tất cả các tuabin tâm trục và phần lớn tuabin cánh quay đều sử dụng stato kiểu vòng để tăng độ cứng, còn kiểu cột riêng rẽ chỉ sử dụng cho buồng xoắn bê tông cốt thép và ở đó ổ trục chặn không lắp trên nắp tuabin. Stato là kết cấu chịu lực và là chi tiết chuẩn của tuabin được lắp ráp đầu tiên, do đó nó phải có đủ độ cứng cũng như hình dạng hình học chính xác. Số lượng các cột chống của stato bằng nửa số cánh hướng nước Z0. Hình 1.7: Các kiểu stato tuabin 1. Vành trên; 2. Cột; 3. Vành dưới a.3. Bộ phận hướng nước hay bộ phận dẫn dòng Sau khi qua stato nước chảy vào bộ phận hướng nước. Bộ phận này có tác dụng sau đây: − Thay đổi trị số và hướng tốc độ dòng chảy giữa cơ cấu hướng nước và BXCT. Đồng thời tạo điều kiện tốt cho dòng nước chảy vào cánh tuabin. − Điều chỉnh công suất tuabin bằng cách điều chỉnh lưu lượng vào tuabin. − Ngăn toàn bộ dòng nước vào BXCT của tuabin Bộ phận hướng dòng gồm có hai bộ phận chính: các cánh hướng nước với số cánh Z0 = 16 ÷ 32 cánh (được bố trí quanh chu vi BXCT) và cơ cấu quay hướng. Mỗi cánh hướng có thân và trục cánh. Đầu trên trục cánh được lồng vào các lỗ khoét ở nắp tuabin (hình 1.9) còn đầu dưới thì được lắp vào vành dưới, nhờ đó các cánh có thể quay quanh trục của nó để thay đổi độ mở a0 của bộ phận hướng nước. Độ mở a0 được tính bằng khoảng cách nhỏ nhất giữa hai cánh kế tiếp nhau(mm) (hình 1.8). Ở vị trí đóng hoàn toàn thì đầu mút của các cánh tiếp xúc nhau (a0 = 0) và nước không thể đi qua vào BXCT (hình 1.10). Còn ở vị trí mở hoàn toàn (a0 = a0max) thì các cánh có hướng kính, lúc đó lưu lượng chảy vào BXCT lớn nhất. Khi các cánh có hướng ở vị trí đóng hoàn toàn, muốn giảm bớt rò rỉ, tại đầu trên c và dưới a mỗi cánh cũng như mép giữa các cánh phải có các đệm chống thấm làm bằng cao su (hình 1.9). Hình 1.8: Cách biểu thị độ mở Hình 1.9: Đệm chống thấm của bộ phận hướng nước cánh hướng nước Nếu các đệm nói trên tốt thì khi sửa chữa máy có thể chỉ cần đóng bộ phận hướng nước (BPHN) mà không cần phải đóng van trước tuabin (bảo đảm cho việc mở máy lần sau nhanh chóng hơn). Cơ cấu quay cánh hướng nước Muốn quay được các cánh hướng nước, cơ cấu này phải có đủ lực để thắng được áp lực nước P tác dụng lên các cánh hướng nước và lực ma sát trong các chi tiết của BPHN. Đồng thời phải bảo đảm khả năng quay các cánh hướng nước theo các trị số độ mở a0 bất kì trong phạm vi từ a0 ÷ a0max. Hình (1.11) là sơ đồ cơ cấu hướng nước điều chỉnh bên trong được sử dụng trong các tuabin phản kích cỡ nhỏ. Trong đó đặc điểm của sơ đồ này là chi tiết của cơ cấu quay bố trí bên trong tuabin và ngập trong nước. Hình 1.10: Cánh hướng nước Hình 1.11 Cơ cấu quay cánh hướng nước ở vị trí đóng hoàn toàn Bộ phận hướng dòng điều chỉnh trong gồm các chi tiết: nắp tuabin (1), vòng dưới (9), các cánh hướng nước (2), trục cánh hướng (10) và cơ cấu quay. Đầu dưới mỗi cánh hướng có khớp (3) nối với thanh truyền (4), còn đầu kia của thanh truyền nối với vành điều chỉnh (8). Như vậy khi quay trục điều chỉnh (5) thì vòng điều chỉnh sẽ quay và làm cho các cánh hướng quay quanh trục của nó với một góc nhất định. Vành điều chỉnh liên hệ với trục điều chỉnh qua tay đòn (6) và thanh kéo (7). Nhược điểm của bộ phận hướng nước loại này là các chi tiết cơ cấu quay nằm trong nước nên chúng nhanh chóng bị han gỉ và tổn thất thủy lực lớn. Bởi lẽ đó nên đối với các tuabin cỡ vừa và lớn người ta thường sử dụng cơ cấu hướng nước điều chỉnh bên ngoài tuabin (hình 1.12). Bộ phận hướng nước kiểu này khác với kiểu nói trên ở chỗ các đầu trục của mỗi cánh hướng đều nhô ra phía trên nắp tuabin và các chi tiết của cơ cấu quay cánh hướng đều bố trí ở nơi không có nước. Ở đây, vòng điều chỉnh (11) liên hệ với các cánh hướng qua khớp nối, khớp nối này có tay quay (9) (tay ép chặt với trục cánh hướng nhờ chốt hình bán nguyệt (26), tâm (6), chốt an toàn (12), thanh truyền (10), thanh này gồm chạc nối, vít tiện đầu ren trái và ren phải và chốt nối, trong đó chốt phía trái được nối với tâm (6), còn chốt phía phải nối với vòng điều chỉnh. Hình 1.12: Mặt cắt dọc tua bin tâm trục Hình 1.13: Sơ đồ liên hệ giữa động cơ Hình 1.14: Dạng ngoài của bánh xe công tác của tuabin tâm trục tiếp lực với bộ phận hướng nước a) BXCT tuabin tâm trục cột nước trung bình b) BXCT tuabin tâm trục cột nước cao Hình (1.12) biểu thị mặt cắt dọc của cơ cấu quay này. Chốt an toàn (12) có tác dụng bảo vệ cho BPHN không bị hư hỏng, và một số cánh hướng không bị kẹt (do các vật nổi như gỗ v.v…). Vì chốt có ứng suất cắt nhỏ hơn ứng suất cắt của tất cả các chi tiết của cơ cấu quay cánh hướng nên khi bị kẹt thì các chốt này (ở các cánh hướng bị kẹt) sẽ bảo đảm cho các cánh hướng khác vẫn có thể đóng bình thường. Vòng điều chỉnh của BPHN sở dĩ có thể quay được quanh trục tuabin là nhờ có một hoặc hai động cơ đặc biệt goi là động cơ tiếp lực (hoặc bộ tiếp lực) bằng dầu có áp (hình 1.13). Động cơ tiếp lực là hệ thống thủy lực gồm xilanh và pittông, pittông có cần (3) nối với vòng điều chỉnh (2). Tuỳ thuộc dầu có áp lấy từ thiết bị dầu áp lực đi vào một ngăn nào đó trong xilanh (1) sẽ làm chuyển dịch pittông (4) và tạo nên mômen ngẫu lực quay vòng điều chỉnh. Động cơ tiếp lực quay bộ phận hướng nước của tuabin thường bố trí phía trong hầm (giếng) tuabin hoặc ở trên nắp tuabin. a.4. Bánh xe công tác Sau khi qua khỏi bộ phận hướng nước, nước chảy vào BXCT (20) hình ( 1.12) ,BXCT của tuabin tâm trục gồm có 12 đến 24 cánh, dạng mặt cong không gian và được cố định (bằng hàn hay đúc) với vành trên (18) và vành dưới (19). Vành trên của BXCT được nối với mặt bích dưới của trục tuabin (21), còn phía dưới của vành này được nối với chóp thoát nước (22). Ngoài ở vành trên có lắp các tấm giảm áp (27) và các lỗ để giảm bớt áp lực nước dọc trục tác động lên BXCT. Kích thước hình học của tuabin tâm trục được đặc trưng bằng đường kính tiêu chuẩn D1 của BXCT và được quy ước là đường kính lớn nhất tại vị trí mép vào các cánh BXCT. Hình dạng BXCT phụ thuộc vào cột nước H, nói chung cột nước H càng tăng thì số lượng cánh BXCT tăng còn tỉ số đường kính D2 D1 cũng như độ cao tương đối cánh hướng b0 sẽ giảm (hình 1.14). Còn tuabin tâm D1 trục dùng cho cột nước thấp thì ngược lại để tăng tiết diện ướt của tuabin. Hình 1.15: Các kiểu vòng bít của tuabin Để giảm bớt lượng nước rò rỉ qua các a) Kiểu khe hở; b) Khe hở có rãnh nhỏ; khe hở giữa phần động và phần tĩnh của c,d) Kiểu răng lược; e) Răng lược có khe hở tuabin cần bố trí thiết bị chống rò rỉ. Đó là các vòng chống rò được lắp ở bề mặt ngoài của vành trên và vành dưới BXCT (hình 1.15), ở vị trí tương ứng với phần cố định của nắp tuabin và vành dưới BPHN. Các kiểu vòng chống rò rỉ (vòng bít) khác nhau được thể hiện ở hình (1.15), trong đó kiểu rãnh được dùng với H < 100m, kiểu cài răng lược dùng với H ≥ 100 ÷ 150m. BXCT của tuabin có thể được chế tạo thành BXCT hoàn chỉnh hoặc từng bộ phận (2÷3) phần, tùy thuộc vào điều kiện vận tải và công nghệ chế tạo. Thông thường vận chuyển bằng đường sắt chỉ cho phép BXCT hoàn chỉnh có đường kính D1 < 4,75m. Nếu đường kính to hơn thì phải chọn các biện pháp vận chuyển thích hợp hơn như đường thủy…, hoặc gia công BXCT thành từng phần để chuyển theo đường sắt và tổ hợp thành bánh xe hoàn chỉnh (bằng hàn, bằng vành đai v.v…). ở công trường xây dựng Braskaia (Liên Xô cũ) sử dụng tuabin tâm trục có D1 = 5,5m, ở đó BXCT được ghép từ hai phần bằng phương pháp hàn nối. a.5. Trục và ổ trục Trục và ổ trục là kết cấu truyền và chịu lực chủ yếu của tuabin. - Trục tuabin Trục tuabin được dùng để truyền mômen xoắn từ BXCT đến rôto của máy phát điện, trục tuabin trục đứng là đoạn ống thành mỏng và có bích ở hai đầu, phía trong rỗng để lắp ống dẫn dầu (cho tuabin cánh quay) hoặc để dãn không khí xuống phía dưới BXCT (để phá chân không cho tuabin tâm trục). Tùy thuộc vào cách bố trí nhà máy và kết cấu nhà máy, trục tổ máy có thể gồm hai phần: trục tuabin và trục máy phát điện, hay 3 phần: trục tuabin, trục trung gian và trục máy phát điện.Trong một số kết cấu hiện nay thì tổ máy chỉ có một trục chung nối liền rôto máy phát điện với BXCT tuabin. Ưu điểm của kiểu trục này là giảm bớt chiều cao tổ máy và nhà máy. Đường kính ngoài của trục tuabin phụ thuộc vào công suất NT, số vòng quay n của tuabin và có thể tính sơ bộ theo công thức: dt = α NT (m) n (1-7) Trong đó: α - hệ số kinh nghiệm, α = 0,11 ÷ 0,12. Hệ số lớn dùng cho tuabin cỡ nhỏ và ngược lại. NT – Công suất định mức của tuabin (kW) n – số vòng quay đồng bộ (v/ph) Hình 1.16a: Ổ trục bôi trơn bằng nước Kích thước trục tuabin vừa và lớn 1. Trục; 2. Nồi trục; 3. Tấm bạc trục; 4. đều được tiêu chuẩn hoá với các trị số Nắp; 5. Vòng chặn; 6. Ống dẫn nước làm sau: mát bạc trục; 7. Ống xả nước; 8. Bơm dt = 600, 650, 700, 750, 800, 850, nước rò trên nắp turrbin; 9. Vòng bít. 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, v.v… Hình 1.16b: ổ trục hướng bôi trơn bằng dầu 1. Trục; 2. Nồi trục; 3. Vòng ép; 4. Vít điều chỉnh khe hở bạc trục; 5. Tấm ngoài bạc trục; 6. Tấm cách điện; 7. Nắp che; 8. Tấm cách điện; 9. Vòng che; 10. Ống dẫn dầu; 11. Ống xả dầu; 12. Lỗ lấy dầu. Chiều dài của trục thì tuỳ điều kiện bố trí cụ thể của từng TTĐ mà xác định. - Ổ trục hướng Ổ trục hướng của tuabin có hai loại: ổ trục hướng bôi trơn bằng dầu, và ổ trục hướng bôi trơn bằng nước (hình 1.16a,b) Ổ trục hướng bôi trơn bằng nước thường bố trí ở trên nắp tuabin. Các tấm bạc làm bằng cao su cứng và được bôi trơn bằng nước. Ở một số tuabin cỡ nhỏ, các tấm bạc có thể được làm bằng gỗ dán và bôi trơn cũng bằng nước. Cấu tạo ổ trục hướng bôi trơn bằng nước cho ở (hình 1.16a). Đối với ổ trục hướng bôi trơn bằng dầu khoáng thì các tấm bạc của ổ trục làm bằng hợp kim babít (hình 1.16b). b. Tuabin hướng trục Tuabin hướng trục có hai loại: cánh quạt và cánh quay. Hướng chảy của nước trong phạm vi BXCT theo hướng trục quay của tuabin. Ở nước ngoài còn gọi tuabin cánh quay là tuabin Kaplan. Tuabin hướng trục được sử dụng cho cột nước thấp từ 3 ÷ 5m đến 35 ÷ 40m. Gần đây có nơi sử dụng cho cột nước đến 60 ÷ 70m. b.1. Bánh xe công tác của tuabin cánh quạt Gồm có 3 ÷ 10 cánh (tăng theo cột nước), được gắn chặt vào bầu BXCT, BXCT đặt trong buồng hình trụ, buồng có kích thước lớn hơn mép ngoài cánh BXCT khoảng một vài mm. Đường kính buồng đó được coi là đường kính tiêu chuẩn BXCT D1. Loại này kết cấu thì đơn giản nhưng hiệu suất cao chỉ ứng với một chế độ làm việc. Vì thế loại tuabin này không dùng cho TTĐ có công suất lớn vì không kinh tế (hình 1.17a).