CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ DẪN NƯỚC VÀ THÁO NƯỚC CỦA TUABIN PHẢN KÍCH
4.1. Phân loại, tác dụng và cấu tạo của buồng tuabin
Buồng tuabin làm nhiệm vụ dẫn nước từ đường ống áp lực vào bánh xe công tác và hình thành đặc tính của dòng chảy trước mép vào cánh hướng dòng. Yêu cầu của buồng tuabin phải thoả mãn các điều kiện chủ yếu sau:
- Đảm bảo phân bố đều dòng chảy theo chu vi trước các mép vào cánh hướng nước để tạo nên dòng chảy đối xứng với trục tuabin.
- Đảm bảo tổn thất trong buồng tuabin là nhỏ, ảnh hưởng ít đến đặc tính năng lượng của tuabin.
- Ngoài ra trong trạm thủy điện thì buồng tuabin là bộ phận có kích thước ngang lớn nhất vì vậy buồng phải có kích thước ngang nhỏ.
- Kinh nghiệm cho thấy kích thước và hình dạng (chỉ chiều rộng mặt bằng B, chiều cao tiết diện vào, góc bao ϕ của buồng) của buồng tuabin có ảnh hưởng đến tổn thất năng lượng trong buồng và các phần nước qua tiếp theo của tuabin (stato, bộ phận hướng nước và bánh xe công tác). Nói chung buồng tuabin có kích thước lớn thì có hiệu suất cao hơn, mặt khác kích thước buồng quyết định khối tuabin và kích thước phận dưới nước của nhà máy, do đó mà nó có liên quan trực tiếp đến giá thành xây dựng của TTĐ. Sau đây là các kiểu tuabin và phạm vi sử dụng chúng.
4.1.2. Các kiểu buồng tuabin và phạm vi ứng dụng
Dựa vào sự phụ thuộc vào cột nước và công suất của TTĐ mà buồng tuabin gồm các kiểu: hở, chính diện và buồng xoắn. Hình 4.1 biểu thị phạm vi ứng dụng của các kiểu buồng tuabin.
Buồng tuabin kiểu hở dùng cho cột nước H < 5 ÷ 6m với tuabin cỡ nhỏ có đường kính D1 ≤ 1,2m. Vận tốc nước V trong kiểu buồng này không được vượt quá 1m/s.
Ưu điểm của loại buồng này là dòng được dẫn đều vào cánh hướng, tổn thất nhỏ.
Nhược điểm là khoảng cách giữa các tổ máy phải đủ lớn, bề rộng trạm lớn B ≥ 4D1, không dùng được cho các trạm có cột nước và kích thước tuabin lớn.
Hình 4.1: Phạm vi ứng dụng của các kiểu buồng tuabin Buồng chính diện (hình ống) hoặc
buồng kim loại dẫn nước theo hướng chính diện được sử dụng với cột nước 5,5
÷ 25m trong các tuabin trục ngang (tâm trục) với đường kính D1 = 0,1 ÷ 1,0m. Các kích thước cơ bản của hai kiểu buồng nói trên giới thiệu ở phần cuối của chương này.
Buồng xoắn là kiểu buồng tuabin được dùng phổ biến nhất hiện nay. Kiểu buồng này bảo đảm dẫn nước vào tuabin với kích
thước mặt bằng của tuabin nhỏ nhất. Hình 4.2: Sơ đồ buồng xoắn
Phụ thuộc vào cột nước, buồng xoắn có thể làm bằng bê tông hoặc kim loại.
Buồng xoắn bê tông: thông thường loại này có tiết diện hình thang, góc ôm nhỏ dùng cho các trạm có cột nước trung bình và nhỏ (H = 3 ÷40m) với các thông số chủ yếu sau B = (2,5 ÷ 3,5)D1, ϕ = 1800 ÷ 2250.
Buồng xoắn kim loại có tiết diện tròn hoặc elíp dùng cho trạm có cột nước trung bình và cao H >45m, B = (2,5 ÷ 4)D1, ϕ = 3450 ÷ 3600.
Ngoài các kiểu buồng nói trên, hiện nay có một số trạm cột nước khoảng 200 ÷ 300m dùng buồng xoắn hỗn hợp hỗn hợp bê tông và kim loại.
Buồng tuabin của tổ máy Capxun.
Buồng này dùng cho cột nước H =3 ÷ 15m. Buồng có dạng vành, trục buồng xoắn trùng với trục tổ máy. Tiết diện vào của buồng, chỗ nối với bộ phận lấy nước của TTĐ là hình chữ nhật sau đó chuyển dần sang tiết diện hình tròn.
Phạm vi sử dụng của các kiểu buồng tuabin phụ thuộc vào cột nước và công suất (hình 4.1).
4.1.3. Các thông số cơ bản của buồng xoắn
Các thông số cơ bản của buồng xoắn gồm có: góc bao ϕmax, vận tốc bình quân của dòng nước tại cửa vào buồng xoắn vv và hình dạng tiết diện buồng xoắn. Ta hãy tìm hiểu những yếu tố ảnh hưởng đến các thông số nói trên và cách lựa chọn chúng.
Góc bao của buồng xoắn ϕmax và diện tích tiết diện vào của nó:
Kết quả thí nghiệm mô hình cho thấy, tổn thất năng lượng trong tuabin, vòng bệ và bộ phận hướng nước (khi chiều rộng gian máy đã cho) phụ thuộc vào quan hệ giữa diện tích tiết diện vào Fv buồng xoắn đã chọn với góc bao. Khi kích thước tiết diện vào của buồng đã chọn, nên tăng góc bao ϕmax, một mặt sẽ làm cho dòng chảy phân bố đều chu vi bộ phận hướng nước, bảo đảm được điều kiện dòng đối xứng trong tuabin, nhưng lại làm tăng vận tốc dòng nước trong phần xoắn và hình thành dòng chảy xoáy.
Kết quả là làm tăng tổn thất năng lượng trong bộ phận hướng nước. Vì vậy khi chiều rộng buồng xoắn B = B1 + B2 (hình 4.2) đã biết, cần chọn quan hệ giữa Fv và ϕmax sao cho tổn thất năng lượng trong tuabin là nhỏ nhất. Phương án buồng xoắn lợi nhất được lựa chọn trên cơ sở các thí nghiệm mô hình BXCT đã chọn với các kiểu buồng xoắn khác nhau.
Kinh nghiệm cho thấy, chiều rộng gian máy là nhỏ nhất khi chọn buồng xoắn với góc bao ϕmax = 1800. Vì vậy đối với các trạm thủy điện cột nước thấp, lưu lượng lớn (TTĐ kiểu lòng sông) để giảm bớt giá thành xây dựng TTĐ nên chọn buồng xoắn với góc bao ϕmax = 1800 ÷ 1920. Đồng thời với kiểu buồng này, khoảng cách từ bên thành bên phải buồng đến trục tổ máy B2 = (1 ÷ 1,2)D1. Nếu lấy nhỏ quá sẽ làm giảm hiệu suất của tuabin.
Đối với các TTĐ có cột nước trung bình và cao do lưu lượng tương đối nhỏ, nên góc bao ϕmax có thể lấy trị số lớn hơn: ϕmax = 2700 ÷ 3450. Với các TTĐ này (đường dẫn và sau đập), chọn buồng xoắn với góc bao lớn cũng sẽ tiện cho việc nối tiếp đường ống áp lực với buồng xoắn.
Trong giới hạn cột nước H < 80m và góc bao ϕmax = 2700 ÷ 3150 có thể sử dụng buồng xoắn với tiết diện hình tròn hoặc chữ T. Buồng xoắn kim loại thường có góc bao ϕmax = 2700 ÷ 3450.
Khi tính toán kích thước buồng xoắn thường sử dụng các kết quả nghiên cứu bằng thực nghiệm và các kinh nghiệm thiết kế phần nhà máy của TTĐ. Cũng có thể sử dụng số liệu cho ở bảng 4.1 để chọn góc bao ϕmax.
Bảng 4.1: Góc bao ϕmax của các kiểu tuabin
Hệ tuabin Phạm vi cột nước ϕmax(0)
Cánh quay
Cánh quay và tâm trục
Cánh quay, tâm trục và chéo trục Tâm trục và chéo trục
Tâm trục
3 ÷ 30 30 ÷ 50 50 ÷ 75 95 ÷ 310 310 ÷ 700
180 ÷ 200 200 ÷ 225 200 ÷ 225 315 ÷ 330 345 ÷ 360
Thực nghiệm cho thấy, khi góc bao ϕmax giảm từ 1800 đến 1350 thì hiệu suất tuabin giảm đi từ 0,5 ÷ 1,0%.
Vận tốc và hình dạng tiết diện vào buồng xoắn.
Vận tốc dòng nước tại cửa vào buồng xoắn vv chọn quá lớn thì tổn thất thủy lực trong buồng xoắn sẽ tăng, làm giảm hiệu suất tuabin. Nhưng nếu vv chọn quá lớn sẽ làm tăng kích thước buồng xoắn. Theo kinh nghiệm của Liên Xô, vv nên chọn theo cột nước (tra đường quan hệ vv – H) hoặc tính theo công thức kinh nghiệm sau đây:
vv = kx H Trong đó:
H – cột nước tính toán;
kx – hệ số kinh nghiệm xét đến tổn thất thủy lực và kích thước kinh tế của buồng xoắn.
Theo tài liệu gần đây, hệ số kx lấy trong phạm vi kx = 0,8 ÷ 1,1, trong đó cột nước lớn tương ứng với hệ số vận tốc nhỏ, còn cột nước nhỏ thì lấy hệ số kx lớn. Kinh nghiệm cho thấy vận tốc vv thường dao động trong khoảng vv = 2 ÷ 9m/s. Như vậy vận tốc kinh tế trong đường ống áp lực thường nhỏ thua vận tốc ở cửa vào buồng xoắn. Do đó, giữa ống áp lực và cửa vào buồng xoắn có đoạn ống chuyển tiếp với tiết diện thu hẹp dần.
Hình dạng tiết diện vào buồng xoắn. Đối với tuabin dọc trục cột nước thấp và vừa thường dùng buồng xoắn có tiết diện hình chữ T (thường hình thang), còn đối với TTĐ cột nước cao (H = 50 ÷ 80m) thì tiết diện là hình tròn. Hình dạng tiết diện buồng xoắn còn phụ thuộc điều kiện cụ thể xây dựng nhà máy của TTĐ. Trong cùng điều kiện góc bao ϕmax nhau, buồng có tiết diện hình thang bảo đảm kích thước mặt bằng của gian tổ máy nhỏ nhất, còn tiết diện hình tròn sẽ lớn nhất (hình 4.3) và tỉ số trên chiều rộng b/a của tiết diện càng lớn thì mặt bằng gian máy càng nhỏ. Tỉ lệ giữa chiều cao và chiều rộng của tiết diện hình chữ T nên chọn theo cấu tạo của buồng xoắn, có thể chọn tiết diện với các kiểu trần bằng; kiểu phát
triển lên trên so với trục của BPHN; kiểu phát triển xuống dưới hoặc kiểu sàn bằng.
Các kích thước của tiết diện cho ở hình (4.4). Các trị số m và n chủ yếu dựa theo yêu cầu bố trí phần dưới nước của nhà máy mà chọn, nó không có ảnh hưởng mấy đến điều kiện thủy lực. Khi n = 0 (hình 4.4d) (trần bằng) hoặc m > n (hình 4.4c) thì có thể giảm thể tích khối bê tông
Hình 4.3: Kích thước ngoài các kiểu buồng xoắn
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 BPHN (hình 4.4b) chỉ nên dùng khi ở phía dưới buồng xoắn có bố trí đường hầm xả nước của TTĐ và nếu động cơ tiếp lực đặt ở ngay trên nắp tuabin mà không bố trí trong hầm tuabin.
Các góc γ và δ không nên quá nhỏ vì nếu lấy quá nhỏ thì điều kiện thủy lực trong buồng xoắn 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 = 200 ÷ 350 và thường là 300. Nói chung, khi m ≤ n, thì γ = 200 ÷ 350; cònlúc m > n thì γ = 100 ÷ 200. khi n
= 0, γ = 100 ÷ 150. Các trị số khác kiến
nghị chọn như sau: Hình 4.4: Các dạng tiết diện ngang của buồng xoắn
Khi m = 0 hoặc n = 0 thì b/a = bv/av = 1,5 ÷ 1,85 (v – chỉ số cho tiết diện cửa vào buồng xoắn); khi m và n ≠ 0 thì
a n b−
và − =1,2÷1,85 a
m
b và
a b n m+ + 0
< 2 ÷ 2,2.
Theo quan điểm thủy lực thì tiết diện chữ T đối xứng hoặc gần đối xứng có tốt hơn chút ít. Buồng xoắn bê tông thường có tiết diện hình đa giác, mặt ngoài buồng là mặt cong tạo bởi đường sinh (là những đoạn thẳng song song với trục tuabin). Đỉnh ngoài (trên, và dưới) của mỗi tiết diện đó của buồng thay đổi theo quy luật nhất định. Các đỉnh đó có thể nằm trên hai đường thẳng xuất phát từ vành trên và vành dưới của vòng bệ. Lúc đó, tiết diện buồng xoắn thay đổi theo quy luật đường thẳng, hoặc theo quy luật đường cong parabol hoặc hypebol.
Trường hợp cá biệt, đối với tuabin tâm trục có cột nước thấp (H = 30 ÷ 60m) cũng có thể dùng buồng bê tông tiết diện chữ T.
Muốn xác định kích thước buồng tuabin cần cho trước các kích thước D0, Da, Db cho ở bảng 4.5.