intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Bài giảng - Thủy điện 2- chương 2

Chia sẻ: Sam Sara | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:20

228
lượt xem
76
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương II. CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA TURBINE THUỶ LỰC Ở chương I chúng ta nghiên cứu khái quát về các loại turbine và tính năng ứng dụng của từng loại turbine. Chương II sẽ nghiên cứu cụ thể hơn về cấu tạo, công dụng của các bộ phận chính của turbine và tìm hiểu các xác định kích thước của chúng. Ngoài BXCT, các bộ phận chính của turbine gồm: thiết bị dẫn nước (buồng turbine), thiết bị tháo nước (ống xả), phần tĩnh (stator), cơ cấu hướng dòng (CCHD) ..v.v.. . II. 1. VÒNG BỆ, CƠ CẤU HƯỚNG...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng - Thủy điện 2- chương 2

  1. Chương II. CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA TURBINE THUỶ LỰC Ở chương I chúng ta nghiên cứu khái quát về các loại turbine và tính năng ứng dụng của từng loại turbine. Chương II sẽ nghiên cứu cụ thể hơn về cấu tạo, công dụng của các bộ phận chính của turbine và tìm hiểu các xác định kích thước của chúng. Ngoài BXCT, các bộ phận chính của turbine gồm: thiết bị dẫn nước (buồng turbine), thiết bị tháo nước (ống xả), phần tĩnh (stator), cơ cấu hướng dòng (CCHD) ..v.v.. . II. 1. VÒNG BỆ, CƠ CẤU HƯỚNG DÒNG, TRỤC CỦA TB. PHẢN KÍCH Như trên đã nói, ngoài BXCT, turbine phản kích còn có những bộ phận chính sau đây: vòng bệ của turbine, cơ cấu hướng dòng, trục và ổ trục của turbine II. 1. 1. Vòng bệ (Stator) của turbine: Vòng bệ của turbine (hình 1-6 và 2-1) là phần cố định của turbine, có tác dụng truyền xuống móng nhà máy các tải trọng 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 lên nó v.v... Stator bao gồm một số cột chống 2 với tiết diện ngang hình đường dòng, liên kết với vành đỡ trên 1 và dưới 3. Có hai kiểu stator : kiểu cột đỡ riêng rẽ và kiểu vòng (a). Phần lớn các turbine phản kích đều sử dụng kiểu vòng để tăng độ cứng, còn kiểu cột riêng rẽ chỉ sử dụng cho buồng xoắn bê tông cốt thép, ở đó ổ chặn không lắp trên nắp turbine. Số lượng cột stator bằng một nửa số cánh hướng nước. Hình 2-1. Vòng bệ và CCHD của turbine Để xác định kích thước buồng xoắn cần phải biết hình dạng và các kích thước của vòng bệ và cánh hướng dòng.Hình 2-1,b và bảng (2-1) xác định kích thước vòng bệ (stator) 17
  2. của turbine. Trong bảng: Da, Db là đường kính ngoài và trong của vòng bệ, b0 là chiêu cao cánh hướng dòng (bảng 6-5 và 6-6 chương VI), Z0 là số lượng cánh hướng dòng. Bảng 2-1. Bảng kích thước vòng bệ ( đơn vị cm) D1 D0 Z0 Cho buồng xoắn bê tông cốt thép Cho buồng xoắn kim loại cán Db Da D4 R h1 h2 Db Da D4 R H h 180 220 16 260 305 330 20 21 200 240 16 285 335 360 20 23 225 275 16 320 375 400 20 23 250 290 24 340 390 400 28 32 23 330 390 415 25 25 280 325 24 382 438 448 30 35 25 372 438 463 25 25 320 375 24 437 500 510 30 40 30 426 500 535 30 32 360 420 24 485 500 570 35 40 30 480 555 590 35 35 400 465 24 542 620 630 35 45 35 532 615 650 35 41 450 525 24 610 700 710 40 45 45 600 695 735 40 41 500 580 24 675 777 780 40 50 40 660 765 805 40 46 550 640 24 745 855 805 50 50 40 730 845 885 50 46 600 700 24 875 935 945 50 55 45 800 925 965 50 50 II. 1. 2. Cơ cấu hướng dòng (CCHD): Nước lần lượt từ buồng turbine 1 chảy vòng qua các cột stator 2, chảy qua khe hở giữa các cánh hướng dòng 3, ở đây lưu lượng được điều chỉnh do thay đổi khe hở giữa các cánh trước khi vào BXCT 4 (hình 1-6 và 2-2,a).Cơ cấu này có tác dụng sau: - Hình thành hướng dòng chảy nhất định ở trước BXCT; - Điều chỉnh lưu lượng nước vào turbine, do đó thay đổi công suất của turbine. Bộ phận CCHD gồm có hai thành phần chính: các cánh hướng dòng hình lưu tuyến và cơ cấu quay cánh. Mỗi cánh hướng nước có thân 3 và trục cánh 5. Đầu trên trục cánh được lồng vào các lổ khoét ở nắp TB, còn đầu dưới thì được lắp vào vành dưới, nhờ đó các cánh có thể quay được quanh trục của nó để thay đổi độ mở a0 của CCHD. Khi cánh hướng nước đóng hoàn toàn a0 = 0, để giảm rò nước cần có đệm chống rò bằng cao su. Bộ phận quay cánh hướng dòng gồm có các chi tiết: nắp turbine 6 chứa ổ trục trên của cánh, vòng dưới chứa ổ trục dưới của cánh, các cánh hướng 3 và cơ cấu tay quay 7. Độ mở a0 dược thay đổi như nhau cho các cánh nhờ vòng điều chỉnh 8 của CCHD. Nhờ chuyển động tịnh tiến hai cần 10 của hai động cơ tiếp lực 9 của máy điều tốc mà vòng điều chỉnh 8 xoay, kéo theo CCHD xoay để dẫn vào BXCT lưu lượng yêu cầu. Hình 2-2,b là sơ đồ đơn giản của CCHD dùng cho TB nhỏ trục đứng buồng hở. Nước từ buồng hở qua khe hở giữa các cánh 2 vào BXCT 11. Điều chỉnh độ mở a0 theo yêu cầu nhờ trục diều khiển 5 từ máy điều tốc quay kéo tay quay 6 và thanh kéo 7 làm quay vòng điều chỉnh 8 tác thay đổi trục 4 làm cánh hướng 2 xoay quanh trục 10 của nó. 18
  3. Hình 2-2. Bộ phận xoay CCHD II. 1. 3. Ổ trục và trục turbine: Trục turbine được dùng để truyền mô men xoắn từ BXCT đến rôtor máy phát điện Trục turbine trục đứng bên trong rỗng để lắp các ống dẫn dầu (đối với cánh quay), dẫn khí xuống BXCT để phá chân không cho turbine tâm trục và đường dây điện ..v.v... Ổ trục định hướng để định tim trục, được bôi trơn bằng dầu hoặc bằng nước. Loại bôi trơn bằng nước thường được lắp ở trên nắp turbine. Loại bôi trơn bằng dầu khoáng thì tấm bạc của ổ trục làm bằng hợp kim babít. Hình 2-3 là đồ thị xác định đường kính trục turbine. Đường kính trục phụ thuộc vào mômen xoắn của dòng chảy Mkp = 97400.N/n ( kGcm). Trong đó N (kW) và n (vòng/phút). Có Mkp tra ra đường kích trục turbine DB (mm). Hình 2-3. Biểu đồ quan hệ đường kính trục và công suất turbine. 19
  4. II. 2. THIẾT BỊ DẪN NƯỚC CỦA TURBINE Thiết bị dẫn nước (buồng turbine) là phần nối công trình dẫn nước của trạm thủy điện với turbine và hình thành lượng chảy vòng tại cửa vào CCHD. Buồng turbine cần bảo đảm những yêu cầu chính sau: - Dẫn nước đều đặn lên chu vi các cánh hướng dòng để tạo nên dòng chảy đối xứng với trục quay của turbine. - Tổn thất thủy lực trong buồng và đặc biệt là trong CCHD nhỏ nhất. - Dễ nối tiếp với đường dẫn của trạm thủy điện. - Buồng có kích thước giảm nhỏ và kết cấu đơn giản. - Thuận tiện cho việc bố trí turbine và thiết bị phụ của nó trong gian máy của TTĐ. - Áp lực tác dụng lên BXCT đều nhau để tránh mòn không đều ổ trục. Dựa vào cột nước và công suất của TTĐ mà buồng turbine có các kiểu: buồng hở, buồng hình ống và buồng xoắn ốc. II. 2. 1 Loại buồng hở của turbine Buồng hở là loại đơn giản nhất thường dùng cho cột nước H = 5÷6 m và đường kính D1 < 1,2 m , giới hạn cột nước lớn nhất là 10 m và đường kính D1 = 1,6m. Sở dĩ có giới hạn sử dụng trên vì khi cột nước và đường kính lớn thì kích thước của buồng rất lớn, trục turbine dài và áp lực nước trên thành buồng sẽ lớn. Vì vậy loại buồng này chỉ Hình 2-4. Buồng turbine hở . dùng cho turbine nhỏ. Buồng hở có thể làm bằng gỗ, gạch hoặc đá xây hay bằng bêtông Buồng hở có thể trục đứng hoặc trục ngang và hở chử nhật hoặc hở xoắn. Buồng hở chữ nhật dễ tạo nên dòng xoáy ở các góc làm tăng tổn thất cột nước. Để khắc phục nhược điểm này nên dùng buồng hở xoắn. Hình 2-4 thể hiện hình thức các loại buồng hở. Chiều dài và chiều rộng của buồng lấy theo kinh nghiệm A = B = (3- 4).D1 , độ nhúng 20
  5. tối thiểu của nắp TB so với mực nước nhỏ nhất trong buồng: hmin ≥ (0,9 -1)D1. II. 2. 2. Buồng hình ống Loại này thường dùng với cột nước H = 6÷7m đến 25÷30 m. Buồng này được làm bằng kim loại chứa các bộ phận của turbine (hình 2-5): chóp nón hướng dòng 4 dẫn nước vào thuận dòng, các cánh hướng dòng 1, BXCT đặt phía trong CCHD. Hình dạng của buồng giống một nồi xúpde, nửa trước 5 nối với ống áp lực 7, nửa sau 2 chứa cụm BXCT và nối với đoạn khuỷu cong 8 của ống xả 12. Trục turbine 11 ổ trục 10 đưa ra ngoài buồng và đặt nằm ngang. Loại này dùng với turbine tâm trục trục ngang, loại turbine nhỏ. Đường kính lớn nhất của buồng lấy theo đường kính tiêu chuẩ của BXCT D1, khoảng (2,8 -3,5)D1 , chiều dài buồng khoảng (2,5 - 3)D1. Hình 2-5.Buồng turbine hình ống II. 2. 3. Buồng xoắn ốc Buồng xoắn (hình 2-6) là loại được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Loại buồng này bảo đảm dẫn nước vào TB với kích thước mặt bằng của turbine nhỏ và đảm bảo chế độ thủy lực tốt nhất.Phụ thuộc vào cột nước buồng xoắn có thể làm bằng bê tông hoặc kim loại. Buồng bêtông cốt thép được dùng với cột nước H ≤ 40 m, mặt cắt đa giác. Khi H > 40 m thường dùng buồng xoắn kim loại hoặc bê tông cốt thép tiết diện tròn. Phân loại buồng xoắn tùy thuộc vào góc bao max ϕ max của buồng xoắn , đây là góc được tính từ tiết diện cửa ra (ϕr = 0) đến tiết diện cửa vào của buồng xoắn (ϕv = ϕ max). Khi ϕ max = 3450÷3600 thì gọi là góc bao hoàn toàn (hình 2-7,a), còn ϕ max < 3450 gọi là buồng xoắn không hoàn toàn ( hình 2-6,c ). 21
  6. Kết quả thí nghiệm mô hình cho thấy, tổn thất năng lượng trong turbine, vòng bệ và CCHD ( khi chiều rộng gian máy đã cho ) phụ thuộc vào quan hệ giữa tiết diện cửa vào buồng xoắn đã chọn góc bao. Khi tiết diện cửa vào đã chọn, nếu tăng góc bao, một mặt sẽ làm cho dòng chảy phân bố đều chu vi CCHD, bảo đảm được dòng chảy đối xứng trong turbine, nhưng lại làm tăng vận tốc dòng nước trong phần xoắn và hình thành dòng chảy xoáy, kết quả làm tăng tổn thất năng lượng trong CCHD. Qua thí nghiệm mô hình BXCT đã chọn với các loại buồng xoắn khác nhau người ta lựa chọn loại buồng xoắn lợi nhất . Kinh nghiệm cho thấy, chiều rộng gian máy là nhỏ nhất khi buồng xoắn có góc bao ϕ max = 180 0 .Vì vậy đối với TTĐ có cột nước thấp ( kiểu lòng sông ) để giảm thành xây dựng TTĐ nên chọn góc bao 1800÷1920. Đối với TTĐ có cột nước trung bình và cao do lưu lượng tương đối nhỏ, nêncó thể chọn góc bao lớn hơn: từ ϕmax = 2700÷3450 . Với trạm thuỷ điện đường dẫn và sau đập chọn buồng xoắn góc bao lớn sẽ tiện cho việc nối tiếp giữa đường ống áp lực với buồng xoắn. Hình 2-6. Buồng xoắn Khi cột nước H ≤ 80 m và góc bao ϕmax = 2700÷3450 có thể sử dụng buồng xoắn tiết diện tròn hoặc chữ T. Buồng xoắn kim loại thường có góc bao ϕmax = 3450. Hình dạng tiết diện vào buồng xoắn: Đối với turbine dọc trục cột nước thấp và vừa thường dùng buồng xoắn có tiết diện chữ T hoặc hình thang, còn đối với TTĐ cột nước cao 50÷80 m thì tiết diện là hình tròn hoặc ellipse. Hình dạng tiết diện buồng xoắn còn phụ thuộc vào điều kiện cụ thể xây dựng nhà máy của TTĐ. Trong điều kiện góc bao như nhau, buồng có tiết diện hình thang bảo đảm kích thước mặt bằng của gian tổ máy nhỏ nhất, còn tiết diện tròn sẽ lớn nhất và tỉ số chiều cao trên chiều rộng b/a của tiết diện càng lớn thì mặt bằng gian máy càng nhỏ. 22
  7. Tỉ lệ giữa chiều cao và chiều rộng của tiết diện hình chữ T (hình 2-7) nên chọn theo cấu tạo của buồng xoắn, có thể chọn kiểu trần bằng, kiểu phát triển lên trên so với trục của CCHD kiểu phát triển xuống dưới hoặc kiểu sàn bằng. Các trị số m và n chủ yếu lựa theo yêu cầu bố trí phần dưới nước của nhà máy, nó không ảnh hưởng mấy đến điều kiện thủy lực. Khi n = 0 (tức trần bằng) hoặc m > n thì có thể giảm thể tích khối bê tông phần dưới nước của nhà máy và dễ bố trí động cơ tiếp lực và có thể rút ngắn khoảng cách giữa các trục tổ máy. Tiết diện chữ T phát triển lên trên so với trục CCHN chỉ nên dùng khi ở phía dưới buồng xoắn có bố trí đường hầm xả nước của TTĐ xả lũ kết hợp và nếu động cơ tiếp lực đặt ngay trên nắp turbin mà không bố trí ở hầm turbine. Các góc γ và δ không nên quá nhỏ, vì nếu lấy quá nhỏ thì điều kiện thủy lực trong buồng sẽ kém và khó bố trí động cơ tiếp lực, nếu quá lớn thì tăng khoảng cách trục tổ máy. Kiến nghị dùng như sau: δ = 20÷350 và thường lấy 300. Nói chung, khi m ≤ n thì γ = 20÷350 còn khi m > n thì γ = 10÷200; khi n = 0, γ = 10÷150. Các giá trị khác kiến nghị chọn như sau: khi m = 0 hoặc n = 0, b/a = 1,5÷1,85. Khi m và n ≠ 0 thì b / a không quá 2÷2,2. Theo quan điểm thủy lực thì tiết diện chữ T đối xứng hoặc gần đối xứng có tốt hơn chút ít. Hình 2-7. Các tiết diện chữ T của buồng xoắn bê tông. Buồng xoắn làm nhiệm vụ dẫn nước vào BXCT và hình thành đặc tính của dòng chảy trước mép vào CCHD. Để thiết kế buồng xoắn người ta giả thiết: - Dòng chảy trong buồng xoắn là dòng chảy dừng, đối xứng qua trục quay và là dòng ϕi thế; lưu lượng qua tiết diện bất kỳ Q i lấy theo góc ϕ i là: Q i = Q tt ; 360 0 - Dòng chảy được coi là tổng hợp của dòng chảy thẳng và dòng xoáy, đặc trưng bởi lưu lượng Q và lưu số Γ = 2 π RV, giả thiết khi thay đổi chế độ làm việc thì Q và Γ thay 23
  8. đổi sao cho các đường dòng trong buồng xoắn không đổi. Thành phần vận tốc hướng Q tt tâm Cr phân bố đều theo chu tuyến trước mép vào cánh hướng dòng: Cr = ; π D a b0 (trong đó: Qtt là lưu lượng của turbine, Da là đường kính ngoài của cánh hướng dòng, b0 là chiều cao cánh hướng dòng). Việc tính toán kích thước buồng xoắn tiến hành trên cơ sở turbine đã được chọn, tìm ra kích thước mặt cắt và quan hệ giữa chúng và góc. Hiện nay có những phơng pháp tính toán sau: * Phương pháp mômen tốc độ vòng là hằng số Vu.r = K; Phương pháp này dòng chảy đối xứng qua trục, dòng có thế và bỏ qua tổn thất dòng chảy. Nó được áp dụng đối với buồng xoắn có góc bao ϕ max = 180 − 360 0 , vì nếu góc nhỏ hơn thì điều kiện dòng chảy sẽ không còn đối xứng qua trục. Phương pháp này khá chính xác và thuận về toán học nên được áp dụng rộng rãi; * Phương pháp tốc độ vòng là hằng số Vu = K; Phương pháp này giả thiết tốc độ vòng bình quân ở các mặt cắt ngang buồng xoắn đều như nhau. Nó chưa đủ lập luận khi thành lập vì nó có những thiếu sót sau: + Dòng chảy tính toán theo phương pháp này không hoàn toàn phù hợp thực tế; + Góc bao càng lớn thì càng không phù hợp. Tuy nhiên qua nghiên cứu thấy đối với góc bao không đủ điều kiện xoắn thì phương pháp này phù hợp hơn phương pháp Vu.r = K. Vì vậy phương pháp này dùng tốt cho TTĐ có cột nước thấp, buồng xoắn bê tông góc bao nhỏ và giai đoạn thiết kế sơ bộ. * Phương pháp tốc độ vòng giảm dần từ cửa vào Vu đến cửa ra từ (0,6÷0,8)Vu; Phương pháp này có nhược điểm là tính đối xứng của dòng chảy bị phá hoại, nhưng giảm nhỏ kích thước buồng xoắn. Vì vậy nó chỉ dùng với turbine cột nước thấp quá lớn. Sau đây chúng ta nghiên cứu cách tính buồng xoắn theo hai phương pháp đầu. 1. Tính toán thuỷ lực mặt cắt buồng xoắn theo phương pháp Vu.r = K Bước này được thực hiện sau khi đã chọn góc bao ϕ max và hình thức buồng xoắn. Dựa vào nguyên tắc đã nêu ta đi thành lập công thức chung: Gọi Q tt là lưu lượng lớn nhất qua mỗi turbine; V tb là tốc độ trung bình trong mặt cắt buồng xoắn, xác định theo: V tb = k H ( H = 2m thì k = 1; H = 300m thì k = 0,5) hoặc theo đồ thị (hình 2-9,a). Với yêu cầu lưu lượng phân bố đều chu vi cơ cấu hướng dòng, vì vậy nếu gọi ϕ i là góc ϕi nào đó ứng với tiết diện cần tìm thì lưu lượng qua nó là Q i = Q tt , diện tích mặt 360 0 Q tt . ϕ i Q cắt tương ứng là F i = i = ; tương tự với ϕ max ta có: V tb 360 . V tb Q tt . ϕ max F max = . 360 V tb Nếu cắt một dãi bất kỳ có bề rộng dr, chiều đứng b thì diện tích phân tố dF = b.dr, vậy: 24
  9. Ri Ri ∫ dQ = ∫ V u. b. dr ; vì Qi = Vu.r = K nên Vu = K/r, vậy ta có: ra ra Ri K Ri Q b dr = tt ϕ i Qi = ∫ b dr = K ∫ ( 2-1 ) 360 r ra r ra Hình 2.8. Sơ đồ lập công thức tính toán buồng xoắn. Sau đây ta áp dụng những công thức trên để tính toán cụ thể cho hai loại buồng xoắn: mặt cắt tròn ( hoặc ellipsse) và buồng xoắn mặt cắt đa giác. a. Tính toán buồng xoắn mặt cắt tròn (hoặc ellipsse): Nội dung của việc tính toán buồng xoắn là vẽ ra được đường bao xoắn và xác định mặt cắt ngang của buồng xoắn (hình 2-9,b), nghĩa là phải xác định ra được quan hệ giữa góc ϕ i , bán kính Ri và diện tích mặt cắt ngang tương ứng Fi. Ri b Q max Từ (2-1) đặt S i = ∫ dr , vậy Qi = K.Si và K = Qi/Si, vì K = hằng số nên K = ra r S max Q tt . ϕ max Gọi bán kính măt cắt cửa vào (ứng với ϕmax ) là ρmax = , V u . π . 360 Coi là tiết diện tròn nên ρi2 = ( bi/2 )2 + ( ri - a)2, rút ra bi và thay vào Si ta có Si và thay vào (3-1) ta có góc : [ ][ ] 720 . K. π r a ÷ ρ − r a ( r a ÷ 2ρ) = c r a ÷ ρ − r a ( r a ÷ 2ρ ) ϕi = Q tt Trong công thức c = ( 720.K.π) / Qtt = hằng số. Giải phương trình ϕ i ta có được : ϕi ϕi ρi = ÷ (2-2) 2 ra c c Từ (2-2) nếu biết c mà định ra ϕ i ta sẽ tìm ra ρ i . Dựa vào điều kiện biên ở cửa vào, có: 25
  10. ϕ max c= = hằng số (2-3) ( ) r a ÷ ρ max − ρ max ra ra ÷ 2 Đã có hằng số c ta định ra các góc ϕ i và lập bảng tính ( bảng 2-2 ) sau: Bảng 2-2. Bảng tính toán xác định kích thước buồng xoắn tròn ( hoặc ellipsse) ϕi ϕ ϕi ρi 2 ρi R i = 2 ρi ÷ r a ϕ 2 ra i 2 ra i c c c Các bước tính toán lập bảng 2-2 như sau: - Chọn góc bao ϕ max như đã trình bày trên; - Từ bảng 3 tra ra kích thước đường kính trong và ngoài của vòng bệ CCHD; - Xác định mặt cắt buồng xoắn cửa vào Fmax định ra ρmax tính ra hằng số c theo (2-3) - Định ra các góc ϕi từ 0 đến ϕmax và tương ứng tính ra ρi theo (2-2) và xác định Ri. Từ quan hệ ϕi ~ Ri vẽ ra đường xoắn và từ quan hệ ρi ~ Ri vẽ mặt cắt ngang tương ứng xem (hình 2-9,b). Hình 2-9. Tính toán buồng xoắn mặt cắt tròn hoặc ellipse. b. Tính toán buồng xoắn mặt cắt đa giác Từ lưu lượng lớn nhất ở cửa vào buồng xoắn Qmax và kinh nghiệm chọn được chi tiết kích thước ( m, n, bo , tỷ số b/a, các góc δ ,γ ) tính ra diện tích mặt cắt cửa vào Fmax và dựa vào tốc độ trung bình Vu định ra mặt cắt lớn nhất. Các mặt cắt khác coi như xếp chồng tỳ lên trên các đường AC và EH ứng với các Ri khác nhau từ Rmax đến ra 26
  11. (hình 2-10). AC và EH có thể quan niệm theo đường thẳng hoặc đường cong bậc hai hoặc ba.Thực tế quan niệm đường cong hợp lý hơn. Sau đây là cách tiến hành tính toán: Hình 2-9a Hình 2-10. Sơ đồ tính buồng xoắn đa giác. Ri b Từ Qi = K.Si ta cần tìm S i = ∫ dr . Ta có thể dùng phương pháp đồ giải để ra r xác định Si là diện tích của b/r và r. Do vậy trước tiên ta cần phải vẽ các đường quan hệ r ~ b/r ( là các đường mnab của mặt c cửa vào, đường miniab của mặt cắt thứ i, ..v.v... ) dựa theo tính toán ở bảng tính 2-3. Cách tính toán như sau: - Ứng với mặt cắt cửa vào ABCHDE ta định các ri ( từ Rv đến rb ) và tương ứng đo được bi rồi tính ra bi/ri, dùng cột r ~ b/r vẽ ra các đường mnab (hình 2-10); 27
  12. - Ứng với mặt cắt khác ta cũng làm tương tự và dùng cột r ~ b/r vẽ các đường khác. Đo diện tích giới hạn giữa các đường vừa vẽ và trục r ta sẽ có được Si tương ứng. Với Smax ta tính ra được hằng số K = Qmax/Smax và tính ra ϕi theo công thức: S ϕ i = ϕ max . i (2-4) S max Bảng 2-3. Bảng tính toán buồng xoắn đa giác r Rv R4 ... ...... ra rb Mặt cắt ABCHDE b bv b0 b0 b/r r R4 R3 ra rb M. cắt A'B'CHD'E' b bi b0 b0 b/r bi/ri r Mặt cắt ...... b b/r Để tiện tính toán xác định các mặt cắt bất kỳ nào đó ta tiến hành vẽ đồ thị quan hệ ϕ ~ r, Q ~ r và V ~ r . Cách vẽ các đường này như sau: - Với mỗi r ta có S và dựa vào (3-4) ta tính được ϕ và vẽ được quan hệ ϕ ~ r. - Với mỗi ϕ có r và tính ra Q = Qtt.ϕ / 360 và vẽ được quan hệ r ~ Q. - Với từng r có Q và đo được diện tích F, tính ra được V = Q/F và vẽ được r ~ V. Từ các đường này ta dễ dàng tra và vẽ đường xoắn và mặt cắt buồng xoắn. 2. Tính toán buồng xoắn theo phương pháp Vtb = K Trong tính toán buồng xoắn theo quy luật Vu.r = K cho ta vận tốc trung bình tại các tiết diện sẽ khác nhau, điều này dẫn đến tổn thất thuỷ lực dọc chiều dài buồng xoắn khác nhau như vậy trị số cột nước khác nhau, gây nên tải trọng lên BXCT không đều làm mòn ổ trục và gây rung động máy. Cột nước càng thấp thì càng ảnh hưởng xấu này càng lớn, do vậy A.A Berêrơnôi đưa ra phương pháp tính này. Phương pháp sử dụng được áp dụng với H < 40 m. Phương pháp Vtb = K coi tốc độ dòng nước qua các mặt cắt buồng xoắn không đổi và bằng Vtb có thể lấy theo biểu đồ (hình 2-9,a). a. Tính toán với buồng xoắn mặt cắt tròn ( hoặc ellipsse) Nội dung và các bước tính toán: - Chọn góc bao của buồng xoắn, thường với mặt cắt tròn và ellipsse lấy lớn; - Sơ bộ xác định các kích thước vòng bệ và CCHD, có thể lấy theo các bảng 2-1 và các bảng 6-5, 6-6 ở chương VI. - Lập bảng tính các quan hệ ϕ ~ ρ ~ R ( bảng 2-4 ): 28
  13. Bảng 2-4. Bảng tính toán buồng xoắn mặt cắt tròn theo V = hằng số ρ ϕ Mặt cắt a = ra + ρ R = 2ρ + ra 1 2 3 4 5 Cửa ra 0 0 ra ra . . ϕmax Cửa vào ra + ρmax R = 2ρmax + ra ρ max Nội dung và các bước tính toán: Cột 1: ghi tên mặt cắt tương ứng với góc ϕ , từ mặt cắt cửa ra đến mặt cắt cửa vào; Cột 2: định góc ϕ, lấy từ mặt cắt cửa ra ϕ = 0 đến mặt cắt cửa vào ϕmax, lấy cách nhau giưã các mặt cắt chừng 450; Cột 3: Bán kính mặt cắt tròn ( hoặc bán kính nhỏ của ellipsse ) tính theo công thức: Q tt ϕ max ρ max = (2-5) 360 π V u Q tt ϕ i . ϕ max ϕi ρi = = ρ max . (2-6) 360 π V u . ϕ max ϕ max Hình 2-11. Tính toán buồng xoắn mắt cắt tròn (ellipsse) và đa giác. Cột 4: Tính a i = ρ i ÷ r a Cột 5: Tính ra bán kính R i = 2 ρ i ÷ r a Từ số liệu hai cột 2 và 5 vẽ được đường xoắn. Từ số liẹu cột 4 và 5 vẽ được kích thước các mặt cắt ngang của từng tiết diện (hình 2-11,a). 29
  14. b. Tính toán buồng xoắn đa giác Việc tính toán buồng xoắn mặt cắt đa giác theo phương pháp Vtb = K tiến hành các bước (xem hình 2-11,b) dưới đây: - Chọn góc bao ϕmax và hình thức mặt cắt như đã trình bày ở các phần trước; - Tra các bảng 2-1, 6-5 và 6-6 để xác định các kích thước b0, Da, Db; Q tt . ϕ max - Dựa vào Qtt và Vtb tra ra tiết diện mặt cắt cửa vào buồng TB: F max = , 360 . V tb có Fmax dựa kính nghiệm chọn các kích thước: b/a, γ, δ sao cho diện tích mặt cắt cửa vào đúng bằng diện tích Fmax; - Lập bảng tính toán (bảng 2-5) xác định quan hệ R ~ F ~ ϕ: Cột 1: Đặt tên cho các mặt cắt buồng xoắn: từ mặt cắt cửa vào đến mặt cắt cửa ra; Cột 2: Chọn quy luật thay đổi đường tỳ của các mặt cắt là đường thẳng hoặc parboll, Định các bán kính R từ bán kính cửa vào Rmax đến bán kính cửa ra rb; Cột 3: Đo diện tích mặt cắt Fi tương ứng với Ri ( phần gạch chéo ) và ghi vào cột 3; Bảng 2-5. Bảng tính buồng xoắn đa giác theo V = hằng số ϕi Tên mặt cắt Ri Fi 1 2 3 4 ϕ m ax Cửa vào R max F max . . . . . . . . Cửa ra 0 0 rb Cột 4: Từ công thức tính diện tích mặt cắt cưả vào F max và mặt cắt thứ i Fi : Q tt . ϕ max F max = 360 . V tb Q tt . ϕ i ϕ lập tỷ lệ Fi/Fmax ta có ϕ i = max F i = f ( R i) (2-7), Fi = 360 . V tb F max ϕ i , ghi vào cột 4. là quan hệ đường thẳng, do vậy có Fi tính ra tương ứng Để tiện sử dụng ta dựa vào bảng 7 vẽ ra các đường quan hệ F ~ ϕ ~ R (hình 2- 11,b) và dựa vào quan hệ ϕ ~ R để vẽ đường xoắn của buồng, dựa vào quan hệ F ~ ϕ ~ R vẽ mặt cắt ngang của buồng xoắn. 30
  15. II. 3. THIẾT BỊ THÁO NƯỚC CỦA TURBINE THUỶ LỰC Thiết bị tháo nươc (ống xả hay còn gọi là ống hút) là bộ phận không thể thiếu ở turbine phản kích. Nó có nhiệm vụ tháo nước từ BXCT xuống hạ lưu với tổn thất năng lượng nhỏ nhất. Ngoài ra ống xả trong turbine phản kích có những tác dụng sau đây: - Sử dụng thêm phần lớn động năng còn lại của dòng chảy sau khi ra khỏi BXCT; - Tận dụng thêm cột nước tĩnh Hs (gọi là độ chân không tĩnh) tính từ mặt cắt cửa ra BXCT đến mực nước hạ lưu ở hầm xả nước. Để xác định giá trị và ý nghĩa của ống xả ta viết phương trình năng lượng cho 3 trường hợp: không có ống xả, ống xả trụ tròn và ống xả hình nón cụt (hình 2-12) rồi so sánh . Hình 2-12. Các sơ đồ tính toán so sánh vai trò ống xả. Viết phương trình Becnuly cho trường hợp a) không có ống xả cho hai mặt cắt ở mặt thoáng 1-1 và mặt cắt cửa ra BXCT 3-3, lấy mực nước ở kênh tháo 0-0 làm chuẩn nếu bỏ qua tôn thất cột nước trong buồng hở và vì áp lực ở mặt thoáng 1-1 và 3-3 đều bằng áp suất khí trời p1 = p3 = pat , vận tốc nước chảy trên mặt thoáng 1-1 coi như bằng không V1= 0, vậy cột nước có thể sử dụng được là Ha: p3 α 3 V 3 α3 V3 2 2 p1 Ha = E1 − E3 = ÷ Zo − ( ÷ ÷ Z3 ) = Zo − Z3 − γ γ 2g 2g Viết phương trình Becnuli cho trường hợp c) có ống hút cho hai mặt cắt 1-1 và mặt cắt cửa ra ống xả 5-5, có tính đến tổn thất cột nước h3-5 của ống xả, ta có cột nước mà turbine có thể sử dụng được là Hc: ⎛ ⎞ pat ÷ γ Z5 α5 V5 α5 V 5 2 2 p1 Hc = E1 − E5 = ÷ Zo − ⎜ Z5 ÷ ÷ h 3−5⎟ = Zo − − − h 3−5 ⎜ ⎟ γ γ α ⎝ ⎠ 2g Lấy Hc trừ cho Ha ta có được cột nước tăng thêm ∆H do có lắp thêm ống xả so với trường hợp không lắp ống xả: α 3 V 3 − α5 V5 2 2 ∆H = H c − H a = Z 3 ÷ − h 3−5 (2-8) 2g Trong đó chỉ số 3 tương ứng với cửa vào ống xả (hay lấy gần đúng là cửa ra BXCT), chỉ số 5 tương ứng cửa ra của ống xả. Từ công thức ∆H ta thấy: năng lượng thu hồi do ống xả gồm: thành thứ nhất là thêm cột nước tĩnh Z3 ký hiệu là Hs gọi là ” độ chân không tĩnh ”, thành phần thứ hai bao gồm hai phần còn lại, gọi là “độ chân không 31
  16. động”. Thành phần thứ nhất có liên quan đến thiết kế công trình, cụ thể là việc chọn cao trình đặt turbine, thành phần thứ hai gắn liền với cấu tạo của ống xả. Hiệu suất ống xả được biểu thị qua hiệu quả thu hồi động năng ở cửa ra BXCT sau: 2 2 α 3 V3 − α 5 V5 − h 3−5 2g η ox =
  17. Sau đây chúng ta xem xét một số loại ống xả thường gặp hơn cả trong thực tế. II. 3. 1. Ống xả hình nón cụt Xét về mặt thủy lực ống xả hình nón cụt là loại ống xả tốt hơn cả so với các loại ống xả kể trên và nó cũng là loại có cấu tạo đơn giản. Tuy nhiên nó chỉ được dùng trong turbine phản kích trục đứng cở nhỏ và trung bình và turbine dòng. Nó thuộc loại ống mở rộng dạng chóp cụt với góc loe θ (hình 2-14,a). Loại ống này có tổn thất thủy lực nhỏ nhất nên hiệu suất cao, có thể đạt tới 85%. Tổn thất thủy lực tùy thuộc vào góc loe θ và tỷ số giữa chiều dài L và đường kính cửa vào D3 của ống xả. Thí nghiệm mô hình cho kết quả rằng góc loe θ = (10÷14)0 và L/D3 = (3÷4) thì hiệu suất ống xả đạt từ 60÷85%. Việc giữ góc loe trong phạm vi có lợi nhưng lại kéo dài L để giảm V5 sẽ tăng khối xây lắp phần dưới nước của nhà máy. Do vậy việc chọn kích thước ống xả cần phải xem xét cả về mặt hiệu suất lẫn khối lượng đào và xây lắp phần dưới nước của nhà máy. Việc quyết định kích thước kênh xả hạ lưu còn cần phải đảm bảo đủ kích thước để dễ thoát nước từ ống xả về hạ lưu. Các kích thước sau đây (hình 2-14,c) tối thiểu phải bằng: h = yD5; b = xD5 ; c = 0,85b Để tránh không khí chui vào ống làm mất tác dụng hút của ống xả, cần bảo đảm mép dưới ống hút ngập sâu cách mặt nước hạ lưu trong hầm xả ít nhất từ 0,3÷0,5 m. Để giảm chiều sâu đào phần dưới nước, người ta cải tiến ống xả nón cụt bằng việc tạo phần Hình 2-14. Ống xả hình nón cụt. loa kèn đoạn dưới của ống xả (hình 2-14,b). Tuy nhiên loại này do mở rộng cửa ra đột ngột nên hiệu suất thấp hơn và phức tạp hơn nên ít sử dụng. II. 3. 2. Ống xả hình cong: Ống xả hình cong (hình 2-15) gồm ba đoạn: đoạn nón cụt A đứng, đoạn khuỷu cong phức tạp B và đoạn mở rộng nằm ngang C. Đoạn nón cụt : quá trình biến đổi động năng dòng nước thành áp năng chủ yếu xảy ra ở đoạn này của ống xả. Đo đó việc chọn chính xác kích thước đoạn nón này có ý nghĩa rất lớn đối với đặc tính năng lượng của TB nhất là đối với TB có tỷ tốc lớn. Cũng 33
  18. như ống xả nón cụt, tổn thất năng lượng trong đoạn ống này phụ thuộc vào góc loe và độ cao tương đối h / D3 và độ mở rộng của đoạn ống này. Đoạn cong: là đoạn nối tiếp giữa đoạn nón cụt và đoạn mở rộng nằm ngang có cấu tạo và kích thước biến đổi phức tạp: tiết diện vào của đoạn khuỷu có dạng hình tròn, sau đó biến đổi dần sang tiết diện hình chữ nhật tại cửa ra của nó với góc quay 900. Trị số tổn thất năng lượng trong khuỷu không lớn hơn so với tổn thất trong nón cụt và trong đoạn nằm ngang. Tổn thất ở đây phụ thuộc vào sự phân bố dòng chảy ở tiết diện vào của khuỷu và hình dạng của nó. Lực li tâm sinh ra khi dòng nước chảy vòng trong đoạn khuỷu sẽ gây nên sự tách dòng và tăng thêm tổn thất. Bán kính chuyển động xoay của dòng nước càng lớn thì lực li tâm và građiên áp lực trong dòng chảy càng nhỏ. Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến tổn thất năng lượng trong đoạn khuỷu là tỷ số giữa diện tích cửa ra và diện tích cửa vào của đoạn này và sự thay đổi diện tích tiết diện men theo chiều dài của nó. Ở Liên xô cũ người ta đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm với 3 dạng khuỷu khác nhau sau đây: khuỷu có diện tích tiết diện ngang tăng dần; khuỷu có diện tích tiết diện không đổi và khuỷu có diện tích tiết diện tăng dần rồi đến đoạn nằm ngang gần tiếp giáp với đoạn mở rộng nằm ngang thì giảm dần. Kết quả cho thấy loại khuỷu sau cùng tốt hơn hai loại trên. Hình 2-15. Ống xả hình cong. Đoạn mở rộng nằm ngang: Ở đoạn này, ống xả vẫn còn tiếp tục biến đổi động năng thành áp năng, nhưng tác dụng phục hồi năng lượng ở đây nhỏ hơn ở đoạn nón cụt. Tiết diện ngang của đoạn mở rộng có dạng hình chữ nhật. Sự mở rộng dòng chảy ở đoạn này được thực hiện nhờ biện pháp nâng cao dần trần của nó theo góc nghiêng α từ 10 ÷130 còn chiều rộng B5 không thay đổi. Đối với ống hút dạng cong, trong thiết kế sơ bộ dựa vào hệ số tỷ tốc và kiểu turbine ta có thể tra ra loại ống xả (bảng 2-6, hình 2-15) 34
  19. Bảng 2-6. Kích thước chính của ống xả cong ( đơn vị ghi: m ) Kiểu Kích thước tính với đường kính BXCT D1 = 1m Sử dụng D1 h L B5 D4 h4 h0 L1 h5 4A 1,0 1,915 3,50 2,20 1,10 1,10 0,55 1,417 1,00 (a) 4C 1,0 2,30 4,50 2,38 1,17 1,17 0,584 1,50 1,20 (b) 4E 1,0 2,50 4,50 2,50 1,23 1,23 0,617 1,59 1,20 (c) 4H 1,0 2,50 4,50 2,74 1,352 1,352 0,67 1,75 1,31 (d) 4H1 1,0 2,7 4,50 2,74 1,352 1,352 0,67 1,75 1,31 (e) 20 1,0 2,3 3,50 2,17 1,04 1,04 0,51 1,41 0,937 (g) Ghi chú: - Bảng 2-6 ghi kích thước của ống xả có đường kính BXCT D1 = 1m, kích thước ống xả của turbine có đường kính D1 ≠ 1m sẽ bằng kích thước trong bảng nhân với D1; - Phạm vi sử dụng ứng với kí hiệu trong bảng 2-6: (a): cho các kiểu turbine: CQ30, CQ40, (CQ577, CQ587 hệ cũ có tỷ tốc thấp); (b): cho các kiểu turbine: CQ20, CQ30, (CQ577, CQ510 hệ cũ có tỷ tốc trung bình); (c): cho các kiểu turbine: CQ10, CQ15, (TT82, TT638 hệ cũ nếu h = 2,3D1 và CQ510, CQ592 hệ cũ có tỷ tốc trung bình và cao); (d): cho các kiểu turbine: TT15, TT75, TT115, TT170, (TT638, TT82, TT211, TT123 hệ cũ có tỷ tốc trung bình và cao); (e): cho các kiểu turbine: CQ10, (CQ510 hệ cũ có tỷ tốc cao); (g): cho các kiểu turbine: cho các kiểu turbine: TT230, TT300, TT400, TT500, (TT533, TT246 hệ cũ có tỷ tốc thấp). II. 4. 3. Ống xả khuỷu Turbine nhỏ trục ngang thường dùng ống xả khuỷu cong. Dòng nước sau khi ra khỏi BXCT có phương song song với trục TB và đi vào phần trên của khuỷu. Sau đó dòng nước lại đi vào phần dưới của khuỷu cong 1 và bị đổi hướng từ ngang sang đoạn côn thẳng đứng 2 hoặc xiên góc với phương thẳng đứng ( hình 2-139,11 và 2-16): Ống xả khuỷu cong (hình 2-17) gồm đoạn khuỷu cong 2 nối với buồng hình ống 1 và đoạn hình nón cụt thẳng đứng 5. Do đổi hướng dòng chảy gần 90 độ khi qua nó, và trường hợp nếu có trục xuyên qua khuỷu thì dòng chảy còn bị khuấy ... do vậy loại này tổn thất thuỷ lực lớn dẫn đến hiệu suất ống xả giảm thấp xuống còn 40 - 45%.Vì vậy loại ống xả khuỷu dùng cho tổ máy trục ngang thuỷ điện nhỏ. Đối với turbine nhỏ nón cut trục đứng và ống hút trục ngang dựa vào tài liệu chế tạo cho sẵn trong khối turbine, do vậy có thể tra theo turbine cụ thể. 35
  20. Hình 2-16. Ống xả khuỷu. 36
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2