CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ DẪN NƯỚC VÀ THÁO NƯỚC CỦA TUABIN PHẢN KÍCH
4.6. Tổn thất năng lượng của ống hút
Trong quá trình biến đổi động năng của dòng nước ở phía dưới sau BXCT thành áp năng không tránh khỏi tổn thất năng lượng. Tổn thất năng lượng có thể chia làm hai loại:
1. Tổn thất thủy lực bên trong ống hút.
2. Tổn thất động năng ở cửa ra ống hút.
4.6.1. Tổn thất thủy lực bên trong ống hút
Tổn thất này bao gồm tổn thất do ma sát giữa các phần tử chất lỏng và chất lỏng với thành ống, tổn thất do tiết diện dòng chảy bị mở rộng và do chảy xoáy (trong ống hút cong). Sự vận động của dòng nước trong ống hút tương tự như dòng chảy trong ống mở rộng. Khi qua ống này, trạng thái chuyển động của chất lỏng đã thay đổi nhiều
ngay cả với ống có độ loe nhỏ và thể hiện ở sự xuất hiện dòng chảy rối kể cả khi số Re
còn rất nhỏ.
Kết quả của sự tăng nhanh dòng chảy rối sẽ làm cho các phần tử chất lỏng dao động mạnh thêm và như vậy tổn thất năng lượng càng lớn. Thực nghiệm còn cho thấy, góc mở rộng của ống càng lớn thì sự phân bố vận tốc tại các tiết diện của ống càng không đồng đều. Khi góc loe θ lớn hơn 80 ÷ 100 thì tầng biên (chỗ tiếp giáp với thành ống) sẽ bắt đầu xuất hiện dòng chảy xoáy ngược và tách rời khỏi thành ống. Năng lượng dòng chảy sẽ bị tổn thất và biến thành nhiệt năng (tại những nơi dễ xuất hiện dòng chảy xoáy).
So với tổn thất do sự mở rộng của tiết diện dòng chảy thì tổn thất do ma sát nhỏ hơn nhiều. Thực ra, hiện nay vẫn chưa có phương pháp nghiên cứu tổn thất thủy lực bên trong ống hút thật hoàn hảo để xác định được trị số tổn thất năng lượng, chủ yếu vẫn phải kết hợp với phương pháp thực nghiệm.
4.6.2. Tổn thất động năng ở cửa ra ống hút
Trị số tổn thất năng lượng ở cửa ra ống hút phụ thuộc vào kiểu và kích thước ống hút, vào hình dạng BXCT và cả chế độ là việc của tuabin. Các trị số ảnh hưởng trên sẽ làm tăng mức độ không đồng đều phân bố vận tốc V5 tại tiết diện ra của ống - hệ số động năng dòng chảy (Kơriôlit).
Q v
dF v Fv
2 bq 5
n 5 2 5
5 = ∫
α
ở đây: v5n – thành phần vận tốc pháp tuyến tai điểm cho trước trong tiết diện ra F5; v5bq - vận tốc bình quân dòng chảy ở tiết diện cửa ra ống hút.
Hệ số α5 càng nhỏ thì sự phân bố vận tốc tại tiết diện ra ống hút càng đều đặn, do đó tổn thất động năng tại cửa ra ống hút càng nhỏ (tức
g 2 v25
α5 càng bé). Hệ số α5 nói chung phụ thuộc vào kích thước tương đối và hình dạng ống hút, vào dạng cánh BXCT và vào chế độ làm việc củatuabin. Nó có những giá trị sau:
Loại ống hút và điều kiện công tác Giá trị α5
Ống hút chóp cụt 1,2 ÷ 1,5
Ống hút cong khi sự kết hợp giữa ống hút và BXCT tốt nhất và trong điều kiện chế độ công tác có lợi nhất
1,2 ÷ 1,5 Ống hút cong khi sự kết hợp giữa ống hút và BXCT bình
thường và khi chế độ công tác có lợi nhất
1,5 ÷ 2,5 Ống hút cong khi chế độ công tác không có lợi 3 ÷ 7
Khi xác định kích thước ống hút, nên chọn trước trị số V5 (hoặc tổn thất tương đối 2 )
2 5
5 gH
α v sao cho với diện tích tiết diện ra ống hút tính được (theo lưu lượng tính toán
QTT), Có thể bảo đảm tổn thất động năng cửa ra ống hút không vợt quá trị số cho phép . Chẳng hạn với tuabin tâm trục (PO) thì hW5 =0,02 ÷0,4%, còn với tuabin dọc trục hW5≤2%;
HW5 =
gH v 2
2 5
α5
Như vậy tổn thất chung trong ống hút bằng tổng tổn thất thuỷ lực bên trong và tổn thất cửa ra của ống hút ∑h=ξn 2vg23 +α5 2v5g2
4.6.3. Hệ số thu hồi động năng của ống hút
Như trên đã nói, ống hút đã tạo thành ở phía dưới BXCT vùng áp lực thấp tức áp suất chân không: áp suất đó bằng áp suất chân không thuỷ tĩnh Z3 công với áp suất chân không thuỷ động, nếu không có tổn thất năng lượng ở ống hút (tức không có tổn thất thuỷ lực bên trong và tổn thất động năng ở cửa ra ống hút) thì áp suất chân không thuỷ động nói trên sẽ bằng động năng (cột nước vận tốc) của dòng nước chảy ra khỏi BXCT
g v 2
2
3 . Nhưng như trên đã phân tích, trong quá trình thoát nước từ trong BXCT xuống hạ lưu không tránh khỏi sự mất mát năng lượng xảy ra trong ống hút nên áp suất chân không thuỷ động thực tế sẽ nhỏ thua cột nước vận tốc
g v 2
2
3 ở cửa ra BXCT.
Để đặc trưng cho chất lượng của ống hút ta dùng đại lượng vật lý gọi là hệ số thu hồi động năng của ống hút ηh (có khi gọi là hiệu suất ống hút), ηh bằng tỷ số độ chân không thuỷ động thực tế do ống hút tạo nên ở phía dưới BXCT với cột nước lưu tốc sau BXCT
g v 2
2 3
α3 .
g v
g h v g
v
g v
2 2 2
2
η 2
3 3
5 3 2 5 5 2 3 3
2
3 3 α
α α
α
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ +
−
=
=
− ckd
h
H (6-9)
Tổn thất năng lượng của ống hút so với động năng ở cửa vào của ống được xác định theo công thức sau đây :
g v g h v
h h
2
1 2 2
3 3 5 3 2 5 5
α α η
ξ −
+
=
−
=
* (6-10)
Để tiện so sánh, ta dùng tỷ số tổn thất so với cột nước làm việc H của tuabin (tổn thất tương đối) và kí hiệu là ζh :
*
ξh
H ) ( H
g / v g h
v H
h
* h h
α η ξ α
ξ ⎟⎟⎠ = −
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ +
=
=
− 2 1
2
2 3 3 5 3 2 5 5
(6-11) Như vậy, áp suất chân không thuỷ động lớn nhất theo lý thuyết có được chỉ khi tổn thất ống hút h3-5 =0 và tiết diện ống hút vô cùng lớn ⎟⎟
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ =0
2
2 5 5
g
α v . Lúc đó, áp suất tuyệt đối ở phía dưới BXCT sẽ có giá trị bé nhất (tức chân không lớn nhất) :
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ +
−
= g
Z v P P at
2
2 3 3 3
3 α
γ
γ (6-12)
ở đây, Z3 – áp suất chân không tĩnh ; g v 2
2 3 3
α - áp suất chân không động ở sau BXCT.
Trong mục 2.5 đã trình bày, do có hiện tượng chảy vòng ở sau BXCT và sự phân bố vân tốc dòng chảy ở đó không đều nên thực tế tổn thất năng lượng còn lớn hơn.
muốn xác định hiệu suất ống hút một cách chính xác hơn thì phải biết được áp lực và vân tốc tại mọi điểm ở tiết diện vào của ống hút. Trong điều kiện đó, hiệu suât ống hút sẽ được xác định theo công thức sau:
∫
= ∫
3 3
3 2 3
3
F 2
z F
z ckd h
dF gv v
dF v H
η (6-13)
ở đây:
Hckd - áp suất chân không động tại điểm đang xét của tiết diện vào ống hút;
vz3 – thành phần vận tốc dọc trục;
v3 – vận tốc tuyệt đối của dòng chảy tại điểm đang xét trong tiết diện nói trên Vận tốc tuyệt đối dòng nước sau BXCT gồm hai thành phần : Kinh tuyến vm3 và vòng vu3 . Góc α2 sẽ có trị số lớn nhất, với trị số đó sẽ cho trị số hiệu suất tuabin lớn nhất.
Tổn thất năng lượng của ống hút còn phụ thuộc vào hệ tuabin. Chẳng hạn, với hiệu suất của ống hút ηh như nhau ( Ví dụ ηh =75%) , nhưng tổn thất tương đối trong các ống hút sẽ khác nhau tuỳ theo từng hệ tuabin ; với tuabin dọc trục ζh =1,0÷1,2 % , còn với tuabin tâm trục thì ζh=0,12÷0,25% . điều đó giải thích vì sao nên dùng tổn thất tương đối ζ h để biểu thị chất lượng ống hút sẽ hợp lý hơn . Mặt khác từ đó ta cũng thấy tổn thất năng lượng của ống hút ( dùng cho tuabin dọc trục ) sẽ có trị số lớn hơn cả.
Qua đó cũng thấy được tầm quan trọng đối với ống hút của các hệ tuabin có tỉ tốc lớn ( cánh quay) . Thực nghiệm cho biết, ống hút chóp có hiệu suất nên ζh=0,75÷0,85;
còn của ống hút cong ζh =0,60÷0,80.