CHƯƠNG 5: KHÍ THỰC VÀ CHIỀU CAO HÚT CỦA TUABIN
5.1. Hiện tượng khí thực và tác hại của nó
5.1.1. Nguyên nhân hình thành của hiện tượng khí thực
Ở một vùng nào đó vì áp lực hạ thấp trong dòng chảy xuất hiện những bọt khí và hình thành dòng nước sôi có tác dụng xâm thực bề mặt kim loại đó là hiện tượng khí thực.
Dòng nước chảy sôi sục là do dòng nước hoá thành hơi, nó liên quan tới nhiệt độ và áp lực khí quyển tại nơi ấy. Khi áp lực là 1 atmôtphe (tương ứng với 10,33m cột nước) nước hoá hơi ở 1000C nhưng nếu áp suất giảm xuống 1,26m cột nước, nước hoá hơi ở 500C. Như vậy dưới một nhiệt độ nhất định nào đó áp lực làm cho nước bắt đầu hoá thành hơi gọi là áp suất hoá hơi. Quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất hoá hơi cho ở bảng (5.1).
Bảng 5.1: Trị số áp lực bốc hơi của nước phụ thuộc nhiệt độ
t0C 0 10 20 40 60 80 100
γ ph
(m) 0,06 0,12 0,24 0,75 2,03 4,83 10,33
Nhiệt độ nước sông thiên nhiên thường từ 00 ÷ 200C.
Dòng chảy qua phần dẫn tuabin luôn thay đổi vận tốc và áp suất. Tại một số vùng nhất định áp suất sẽ hạ rất thấp đến giá trị áp suất hoá hơi – nước sôi – tạo thành các bọt hơi nước và không khí có tác dụng xâm thực bề mặt kim loại mà chủ yếu là tác dụng cơ học thứ đến là tác dụng hoá học và tác dụng điện hoá.
a. Tác dụng cơ học.
Trong bộ phận nước qua của tuabin tồn tại áp lực chân không cục bộ. Đó là điều kiện cơ bản hình thành khí thực. Khi dòng nước đi qua BXCT, lưu tốc rất lớn nếu mặt ngoài cánh nhám, không nhẵn hoặc hình dạng cánh tuabin không hợp với hình đường chảy đều có thể làm cho dòng chảy bị phá hoại. Dựa vào phương trình Bécnuly, lưu tốc tăng lên thì áp lực hạ xuống. Nếu áp lực hạ xuống tới áp lực hoá hơi thì dòng nước bắt đầu sôi. Chỗ cục bộ nào đó trong tuabin do áp lực thấp sinh ra bọt hơi có chứa hơi nước và không khí. Khi bọt hơi xê dịch tới vùng áp suất cao, hơi nước lập tức ngưng tụ lại thành nước, hình thành vùng chân không trong bọt khí. Dưới áp lực cao nước ở xung quanh ép vào trung tâm bọt khí với tốc độ rất mạnh tạo nên áp lực nước va rất lớn (hình 5.1) làm cho bọt hơi bị co ép mãnh liệt. Sau đó cũng tại tâm các bọt khí này
nước nước bị nén đột ngột lại có xu thế muốn dãn nở, sau đó lại tái diễn quá trình ép co dãn nở. Thực
nghiệm cho thấy bọt khí tồn tại là 0,003 ÷ 0,006 giây (gần bằng tần số dao động của sóng âm), áp lực trong bọt hơi có thể đạt tới mấy trăm hoặc mấy nghìn átmốtphe và truyền vào các bộ phận của tuabin làm bề mặt các phần nước qua của tuabin bị ăn mòn dần do tác động xâm thực. Kim loại càng giòn và gia công càng kém (độ nhám lớn) thì tác dụng phá hoại do khí thực càng mạnh.
Hình 5.1: Bọt khí hình thành và vỡ đi
b. Tác dụng hoá học.
Khi bọt khí bị nén ở vùng áp lực cao sẽ có tảo nhiệt. Người ta đã làm thí nghiệm và đo được nhiệt độ trong các bọt khí khi bị nén đạt tới 2300C. Tác dụng hoá học làm ăn mòn kim loại là do phản ứng ôxy hoá khi không khí (chứa ôxy) bị tách ra khỏi nước.
Nhiệt độ nước càng lớn thì quá trình ôxy hoá càng mạnh. Nhưng nguyên nhân chính làm cho kim loại bị ăn mòn chủ yếu vẫn là do tác dụng cơ học thể hiện ở sự chấn động diễn ra trên bề mặt phần qua nước của tuabin: Bởi vì ngay cả đối với các vật liệu có tính ổn định hoá học tốt như thủy tinh v.v... vẫn bị phá hoại bởi tác dụng khí thực.
c. Tác dụng điện hoá:
Khi bọt khí bị nén trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao làm cho giữa các bộ phận nước qua của tuabin có sự chênh lệch về nhiệt độ (do khí thực) hình thành các pin nhiệt điện. Dưới tác dụng của hiện tượng điện phân xẩy ra trên bề mặt kim loại và hiện tượng phóng điện trong các bọt khí sẽ gây nên sự ăn mòn kim loại.
5.1.2. Loại khí thực
Tuỳ theo vị trí xuất hiện khí thực người ta chia khí thực tuabin ra ba loại: khí thực vùng cánh tuabin, khí thực cục bộ và khí thực khe hở.
a. Khí thực vùng cánh.
Trong kết cấu của tuabin những vùng thường xảy ra xâm thực là những vùng có áp suất thấp: xâm thực xảy ra mạnh nhất vẫn là trên cánh bánh xe công tác ( hình 5.2).
w w w
a b c
Hình 5.2: Xâm thực trên cánh bánh công tác turbin
Bằng thực nghiệm người ta đo được biểu đồ phân bố áp suẩt trên bề mặt cánh tuabin (hình 5.2c). Vùng áp suất thấp là vùng gần mép ra về phía bụng lưng cánh nơi mà vận tốc tương đối w rất lớn. Ngoài ra, đối với tuabin tâm trục có thể xảy ra xâm thực ở ỏ đĩa dưới hoặc ở phần vào của buồng hút tuabin (hình 5.3). Đối với tuabin gáo hiện tượng khí thực không nghiêm trọng lắm. Nhưng nếu không thiết kế tốt đường cong của van kim trong vòi phun thì sẽ sinh ra khí thực ở bên trong gần miệng vòi phun và ở đầu nhọn của van kim. Đường sống phản nước của cánh gáo (vùng có dấu o ở hình 5.4).
Hình 5.3: Phạm vi khí thực của tuabin gáo
Hình 5.4: Phạm vi khí thực của tuabin tâm trục
b. Khí thực cục bộ ( khí thực vùng trống)
Khí thực vùng trống sinh ra cùng với sự hình thành và ngưng hơi của bọt khí trong dòng nước. Tuabin làm việc ở trạng thái phụ tải từng phần, dòng nước chỗ cửa ra của BXCT có tốc độ vòng rất lớn vì sự chảy xoáy đó ở trung tâm ống hút sinh ra áp lực chân không hình thành khí thực vùng trống.
c. Khí thực khe hở.
Khi đóng kín cánh hướng nước nếu cánh tuabin chưa kịp khép kín sẽ hình thành khe hở, khe hở giữa rãnh vòng chống đỡ của BXCT, cửa van xả nước và van cánh bướm khép không thật kín còn có khe hở, phần qua nước của vòi phun và van kim của tuabin gáo cũng có khe hở. Tại những chỗ đó lưu tốc rất lớn áp lực hạ thấp dần đến khí thực khe hở.
5.1.3. Tác hại của khí thực
Hiện tượng khí thực trong tuabin thường dẫn đến các tác hại sau đây:
- Làm giảm hiệu suất và công suất tuabin. Sự giảm công suất tuabin không những chỉ do sự giảm hiệu suất mà còn do cả sự giảm khả năng thoát nước của tuabin.
- Làm hư hỏng các phần nước qua của tuabin. Nếu hư hỏng với mức độ nghiêm trọng sẽ buộc phải dùng máy để sửa chữa và làm giảm lượng điện phát ra của TTĐ.
- Máy rung và có tiếng ồn, hiện tượng rung động có thể lan sang cả phần nền móng của nhà máy TTĐ.
Để có biện pháp hiệu nghiệm ngăn ngừa khí thực ta hãy xác định điều kiện phát sinh khí thực và đại lượng vật lí đặc trưng cho mức độ khí thực lớn hay bé của tuabin.
Xét về mặt khí thực thì đặ tính khí thực của các tuabin phản kích có tỉ tốc ns lớn là kém nhất, bởi vì dòng chảy trong BXCT của những tuabin này có vận tốc lớn và vùng áp lực thấp do tác dụng ống hút tạo nên. Áp suất chân không trong phạm vi BXCT phụ thuộc vào các yếu tố như áp suất chân không tĩnh Z3 = hx, vận tốc ở cửa ra ống hút, tổn thất năng lượng trong ống hút và áp suất chân không cục bộ tạo bởi dạng cánh BXCT và bề mặt các phần nước qua khác của nó.