CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ DẪN NƯỚC VÀ THÁO NƯỚC CỦA TUABIN PHẢN KÍCH
4.5. Công dụng của ống hút
Tất cả các loại tuabin phản kích đều có ống hút, còn các loại tuabin xung kích không có ống hút vì theo điều kiện công tác của chúng thì mực nước trong kênh tháo phải thấp hơn cánh BXCT. Ống hút (ống xả) của tuabin phản kích có những công dụng sau:
- Bảo đảm tháo nước từ BXCT xuống hạ lưu theo một quy luật nhất định với tổn thất năng lượng là nhỏ nhất.
- Sử dụng cột nước hình học Z3 (đó là độ cao từ vị trí đặt BXCT đến mực nước hạ lưu) nếu bánh xe công tác của tuabin bố trí ở trên mực nước hạ lưu.
- Thu hồi một phần cột nước động năng của dòng nước sau BXCT. Muốn vậy ống hút phải có dạng mở rộng (khuyếch tán) nghĩa là tiết diện ngang của ống phải tăng dần đều từ cửa vào đến cửa ra của ống hút.
Trị số động năng dòng nước ở cửa ra của BXCT phụ thuộc vào kiểu tuabin, tỉ tốc ns
và chế độ làm việc của nó (cho ở bảng 4.3):
Bảng 4.3: Tỉ động năng gH 2
V32
sau BXCT của các hệ tuabin.
Hệ tuabin Tỉ tốc ns
gH 2
V32
100%
Tâm trục Tâm trục Chéo trục Chéo trục Cánh quay Cánh quay Cáp-xun Cáp-xun
70 ÷ 125 125 ÷ 200 200 ÷ 300 300 ÷ 450 450 ÷ 600 600 ÷ 800 800 ÷ 1000 800 ÷ 1400
2 ÷ 4 4 ÷ 6 6 ÷ 10 10 ÷ 14 16 ÷ 27 27 ÷ 34 34 ÷ 50
>50
Từ số liệu ở bảng trên ta thấy, đối với các tuabin tỉ tốc bé thì cột nước động năng (giá trị tương đối) sau BXCT chiếm từ (2 ÷ 6)% cột nước công tác, còn đối với các tuabin có tỉ tốc lớn thì con số đó có thể đạt tới hơn 50%. Nếu không dùng ống hút hay dùng ống hút có tiết diện không đổi (hình trụ) thì cột nước động năng sau BXCT sẽ bị tổn thất, do đó hiệu suất của tuabin của loại này sẽ rất thấp. Như vậy, ống hút phải có dạng mở rộng dần sao cho tiết diện ngang của ống hút tăng dần theo chiều dòng chảy.
Để đánh giá tác dụng của ống hút đối với quá trình làm việc của tuabin, chúng ta xác định áp lực ở dưới BXCT và trị số cột nước của tuabin có thể sử dụng được cho ba trường hợp sau đây: tuabin không có ống hút; tuabin có ống hút hình trụ; tuabin có ống hút hình mở rộng.
4.5.1. Tuabin không có ống hút (hình 4.5a).
Chọn mực nước hạ lưu làm mặt chuẩn và viết phương trình Becnuli qua mặt nước trong buồng tuabin (tiết diện 1-1) và mặt cắt 3-3 (ở cửa ra BXCT). Nếu bỏ qua tổn thất năng lượng trong đường dẫn thì cột nước tuabin có thể sử dụng được sẽ bằng:
H = Eo – E3 (4.1)
Ở đây: Eo - tỉ năng dòng nước tại tiết diện 1-1, nếu bỏ qua cột nước lưu tốc thì:
Hình 4.5: Sơ đồ để giải thích tác dụng của ống hút
o at
o p Z
E +
= γ ; E3 - tỉ năng dòng nước tại tiết diện 3-3:
3 2
) a ( a 3 3 2
) a ( 3 ) a ( 3 ) a (
3 Z
g 2 p V g Z
2 V
E p + +
= γ + γ +
=
Thế trị số E0 và E3 vào (4.1) ta có:
g 2 Z V Z H
2 3 3 o
a = − − (4.2)
Trong đó: Zo - Khoảng cách tự mực nước thượng lưu đến mực nước hạ lưu.
Như vậy, trong trường hợp không có ống hút, tuabin không thể sử dụng được động năng dòng chảy
g 2 V32
và cột nước hình học Z3. 4.5.2. Tuabin có ống hút hình trụ (hình 4.5b).
Ở đây, nước từ BXCT theo xuống hạ lưu qua ống hình trụ. Nếu bỏ qua tổn thất trong thiết bị dẫn nước thì Eo bằng:
o at
o p Z
E +
= γ ;
Còn E3 sẽ bằng: 5 3 5(b)
2 ) b ( 5 5 3 2
) b ( 3 ) b ( 3 ) b (
3 Z h
g 2 p V g Z
2 V
E p + − + −
= γ + γ +
=
Trong đó: h3−5 - Tổn thất năng lượng trong ống hút.
Vì V3(b) =V5(b) và p5 pat Z5 γ +
γ = thì 3 5(b)
2 ) b ( at 3 ) b (
3 p V h
E + −
+ γ
= γ Áp suất dưới BXCT trong trường hợp này là:
) b ( 5 3 3 ) at
b (
3 p Z h
p
+ −
γ − γ =
Cột nước hữu ích trong trương hợp này là
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ + +
− γ
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ +
= γ
−
= 3−5(b)
2 ) b ( at 3 o
at )
b ( 3 o
b h
g 2 p V p Z
E E H
) b ( 5 3 2
) b ( 3 o
b h
g 2 Z V
H = − − − (4.3)
Như vậy, nếu ống hút là hình trụ và BXCT đặt trên mặt nước hạ lưu thì tuabin có thể lợi dụng thêm cột nước Z3. Nhưng cũng như trường hợp đầu, cột nước động năng
g 2 V32
ở cửa ra BXCT đã bị tổn thất hoàn toàn và tổng tổn thất trong ống hút theo sơ đồ là:
∑hw(b) = h3−5(b) +V232g(b)
4.5.3. Tuabin có ống hút hình nón cụt (hình 4.5c).
Trong trường hợp này, tỉ năng ở cửa vào tuabin Eo bằng:
o at
o p Z
E +
= γ ; Còn E3 sẽ bằng: 5 3 5(c)
2 ) c ( 5 5 3 2
) c ( 3 ) c ( 3 ) c (
3 Z h
g 2 p V g Z
2 V
E p + − + −
= γ + γ +
=
(4.4)
Ở đây vận tốc dòng nước tại cửa ra ống hút V5 nhỏ hơn vận tốc cửa vào ống V3, còn áp lực ở cửa ra ống hút p5 pat Z5
γ +
γ = nên ta có:
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ − −
+ γ −
γ = 3−5(c)
2 ) c ( 5 2
) c ( 3 3
) at c (
3 h
g 2
V Z V
p p
(4.5)
Tức là khi Z3 > 0 thì dưới BXCT hình thành chân không có trị số bằng tổng độ chân không tĩnh Z3 và độ chân không động 3 5(c)
2 ) c ( 5 2
) c (
3 h
g 2
V V
− −
− . Từ (4.4) và (4.5) ta có:
) c ( 5 3 ) c ( at 5 3 ) c ( 3 5 3 2
) c ( 5 2
) c ( 3 3 at ) c (
3 h
g 2 p V g Z
2 h V
g 2 V g 2 Z V
E p − + − −
= γ + +
− +
− γ −
=
Như vậy, cột nước tuabin có thể lợi dụng được trong trường hợp này là:
3 o
c E E
H = −
) c ( 5 3 2
) c ( 5 o 5 3 2
) c ( at 5 o at
c h
g 2 Z V g h
2 p V p Z
H − + − = − − −
− γ γ +
=
So sánh cột nước sử dụng trong ba trường hợp trên ta thấy:
Đối với ống hút hình trụ (trường hợp b) cột nước sử dụng tăng thêm là:
) b ( 5 3 3 ) a ( 3 3 o ) b ( 5 3 2
) b ( 3 o a b a
b Z h
g 2 Z V Z g h
2 Z V H H
H − = − = − − − − + + = − −
Δ
Đối với ống hút hình nón cụt (trường hợp c) cột nước sử dụng tăng thêm là:
) b ( 5 3 2
) c ( 5 2
) a ( 3 3 ) a ( 3 3 o ) c ( 5 3 2
) c ( 5 o a c a
c h
g 2
V Z V
g 2 Z V Z g h
2 Z V H H
H − − − − −
+
= +
+
−
−
−
=
−
= Δ
Ở đây lưu lượng và tiết diện đầu ra của BXCT trong cả ba trường hợp đều như nhau nên tổng quát hơn ta bỏ các chỉ số a, b, c vì V3a = V3b = V3c.
Áp suất chân không tăng thêm ở phía dưới BXCT bằng trị số cột nước tăng thêm nói trên. Như vậy, khi BXCT bố trí ở trên mặt nước hạ lưu thì áp suất chân không ở sau BXCT bằng tổng áp suất chân không thủy động ⎟⎟
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
− 52 3−5
2
3 h
g 2 V g 2
V với áp suất
chân không thủy tĩnh Z3. Trong trường hợp, vì điều kiện khí thực (sẽ nói ở chương 5) không cho phép BXCT đặt bên trên mặt nước hạ lưu, lúc đó áp suất chân không toàn phần ở phía dưới BXCT sẽ bằng: 3 5 3
2 5 2
3 h Z
g 2 V g 2
V ⎟⎟⎠−
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
− − .
Hình 4.6: Các kiểu ống hút của tuabin phản kích
Qua sự phân tích trên ta thấy, ống hút của tuabin cần đảm bảo sao cho trong quá trình biến đổi động năng dòng chảy sau BXCT thành áp năng, tổn thất năng lượng trong đó phải nhỏ nhất, đồng thời kích thước của nó phải hợp lí (dài, rộng và chiều sâu) để vốn đầu tư xây dựng nhà máy nhỏ nhất.
Trong các tuabin phản kích hiện nay thường dùng các kể ống hút sau đây: ống hút chóp dùng cho tuabin phản kích cỡ nhỏ và tuabin chảy thẳng (hình 4.6a); ống hút cong (hình 4.6b) dùng cho hầu hết các tuabin phản kích hiện có, ống hút hình loe (hình 4.6d), ống hút khuỷu cong dùng cho tuabin phản kích trục ngang (hình 4.6c).