CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA TUABIN
2.5. Điều kiện hiệu suất cao của tuabin
A- Điều kiện hiệu suất cao của tuabin phản kích
Hiệu suất thủy lực của tuabin (phương trình 2.3) là cao nhất nếu dòng chảy thảo mãn hai điều kiện sau đây:
1- Điầu kiện chảy vào không bị va
2- Điều kiện chảy ra khỏi BXCT theo hướng pháp tuyến 2.4.1. Chảy vào không va
Ta kí hiệu:
O- Điểm nằm ngay trước cửa vào BXCT 1- Điểm ở cửa vào BXCT
2- Điểm ở cửa ra BXCT (hình 2.1)
Dòng nước chảy vào bánh xe công tác được gọi là không bị va nếu vận tốc tuyệt đối v1 luôn bằng vận tốc tuyệt đối v0 ở cửa ra cánh hướng nước, còn phương của vận tốc tương đối trùng với tiếp tuyến của phần tử cánh ở mép vào của nó, có nghĩa là: wr1
0
1 v
vr = r ; wr1 =wr0 và α0 =α1
Thoả mãn điều kiện đó dòng nước sẽ bao lượn mép vào cánh BXCT. Ngược lại thì dòng nước sẽ tách khỏi mép vào cánh và hình thành vùng xoáy ngược ở đó. Nếu gọi là góc tạo bởi và tiếp tuyến cánh tại mép vào 1, thì có thể xảy ra 3 trường hợp như sau:
'
β1 ur1
- Nếu β1<β1' vùng xoáy xảy ra ở phía lồi của cánh;
- Nếu β1>β1' thì vùng xoáy xảy ra ở phía lõm của cánh;
- Nếu β1 =β1' thì không có vùng xoáy.
Hình 2.5: Sự xuất hiện vùng xoáy ở cửa vào BXCT
Rõ ràng, sự xuất hiện của vùng xoáy tách dòng này sẽ tăng thêm tổn thất cục bộ ở cửa vào cánh (tổn thất do va đập thủy lực). Tổn thất này sẽ làm giảm hiệu suất của tuabin nên phải tìm cách loại trừ nó. Tuy vậy không thể bảo đảm điều kiện chảy vào không va trong mọi chế độ làm việc của tuabin.
Đối với tuabin cánh quạt và tuabin tâm trục có cánh cố định ( không đổi), khi lưu lượng Q và cột nước H thay đổi thì hướng của tam giác tốc độ cửa vào thay đổi dẫn tới . Do đó đối với các loại tuabin này chỉ khi làm việc với Q và n phù hợp với thiết kế thì .
'
β1 '
1
1 β
β ≠
' 1
1 β
β =
Ngoài trường hợp ấy ra thì điều kiện chảy vào không va sẽ không còn duy trì được nữa gây ra việc hạ thấp ηT.
Với tuabin cánh quay do cánh BXCT quay được (góc thay đổi) nên khi lưu lượng Q thay đổi có thể điều chỉnh cánh tuabin ăn khớp với độ mở cánh hướng nước nên thông thường thoả mãn điều kiện như vậy khi phụ tải thay đổi vẫn bảo đảm dòng chảy bao lượn lấy cánh nên hiệu suất η của tuabin loại này cao hơn hai loại tuabin trên.
'
β1 '
1
1 β
β =
Trị số góc cánh phụ thuộc vào kiểu tuabin. Nói chung với tuabin cột nước cao thì góc < 900 còn với tuabin cột nước thấp thì góc > 900.
'
β1 '
β1 β1'
2.4.2. Chảy ra thẳng góc (hình 2.6)
Từ phương trình (2.3) chúng ta thấy: Khi Q, H = const, nếu cosα2 = 0, α2 = 900, v2
chảy theo hướng pháp tuyến (v2 vuông góc u2) thì dòng chảy đi thẳng xuống không sinh ra dòng chảy xoáy ở ống hút do đó làm tăng hiệu suất của tuabin.
Đối với tuabin tâm trục, góc không đổi nên chỉ ở trạng thái làm việc bình thường của tuabin mới đảm bảo góc α2 = 900. Vậy khi lưu lượng hay số vòng quay của tuabin thay đổi (chẳng hạn n thay đổi thì u2 cũng thay đổi) do đó mà góc α2 ≠ 900. Hình tam giác biểu thị vận tốc cửa ra cánh BXCT, trên hình (2.6a), từ hình vẽ ta nhận thấy, khi lưu lượng bằng lưu lượng tính toán Q thì vận tốc v2 vuông góc u2, còn khi Q tăng hoặc giảm thì v2 sẽ không thẳng góc với u2 nữa, có nghĩa là v2u2cosα2 ≠ 0, nước chảy ra khỏi bánh xe công tác có xoáy và hiệu suất thấp.
'
β2
Đối với tuabin cánh quay khi lưu lượng nước chảy qua tuabin thay đổi thì do cánh bánh xe công tác quay được cùng với độ mở a0 của BPHN nên cánh có thể nằm ở các vị trí khác nhau (có vị trí 1, 2 ,3 của hình 2.6b). Kết quả là vận tốc v2 trong cả ba trường hợp nói trên đều có thể vuông góc với u2 (v21, v22, v23 đều vuông góc u2). Như vậy trong cả ba trường hợp ở cửa vào và ở cửa ra của BXCT của tuabin cánh quay đều bảo đảm dòng chảy lợi nhất. Điều này cũng chứng tỏ tính ưu việt của tuabin cánh quay so với hai loại tuabin đầu.
Tuy vậy thực nghiệm cho biết, nếu cho rằng muốn tăng hiệu suất thì cần bảo đảm góc α2 = 900 là không hoàn toàn đúng đắn. Người ta làm thí nghịêm và xác định rằng
dòng chảy ở cửa ra của bánh xe công tác nên bảo đảm có một lượng chảy vòng sao cho v2u2cosα2 = 0,2gH thì chẳng những có thể làm tăng hiệu suất thủy lực của tuabin mà còn có thể cải thiện được trạng thái dòng chảy ở cửa vào của ống hút. Khi đó, do có dòng chảy xoay quanh trục vừa phải nên lực li tâm sinh ra do sự chảy xoay này sẽ làm cho các phần tử chất lỏng ở cửa vào ống hút bám sát vào thành ống nên khắc phục được hiện tượng tách dòng trong ống hút mở rộng, đồng thời cũng giảm được vận tốc tương đối của dòng nước chảy men theo cánh BXCT do đó mà giảm tổn thất thủy lực trong BXCT.
Hình 2.6: Tam giác vận tốc ở cửa ra của BXCT
Cũng vì lí do trên mà hiện nay khi thiết kế hệ thống cánh BXCT người ta không những không loại bỏ điều kiện chảy ra không thẳng góc mà ngược lại, khi tính toán đã cố ý thoả mãn điều kiện này. Nói cách khác hầu hết các tuabin hiện nay đều được thiết kế với góc α2 vào khoảng 800.
Bây giờ ta hãy xét với điều kiện chảy ra thẳng góc;
Từ hình tam giác vận tốc cửa ra BXCT ta có:
( 0 2) 2 2 ( 0 2)
2 2 2 2
2 =u −w =u −w cos180 −β =u −v cotg180 −β
vu u m (2.4)
Trong đó: Vm2- thành phần vận tốc kinh tuyến; 22 2
2
2 r z
m v v
v = + . Ở cửa ra dòng chảy theo chiều trục cho nên:
2 2
2 F
v Q
vm = z = (2.5)
ở đây: F2- diện tích tiết diện ngang ở mép ra của BXCT Do đó, vu2 =u2 −K1Qcotg(1800 −β2) (2.6)
Từ phương trình (2.6) ta thấy điều kiện bảo đảm nước chảy ra khỏi bánh xe công tác theo phương pháp tuyến là:
( 2)
0 1
2 = KQcotg180 −β
u (2.7)
B- Điều kiện hiệu suất cao của tuabin xung kích Từ phưng trình ηtlgH = u(vo – u)(1 - cosβ2)
ηtl đạt giá trị max khi =0 du
dηtl ↔ 1 (1 cos )( 2 ) 0
0
2 − =
−
= v u
gH du
dηtl β
(2.8) vậy muốn ηtl = ηtlmax thì cần phải thoả mãn hai điều kiện sau đây
• 1-cosβ2 = 0 hay β2 = 1800 như vậy độ cong của cánh gáo là 1800, wr2 ngược chiều với ur2, dòng nước ở cửa ra sẽ va vào lưng của cánh gáo phía sau không thể tháo nước đi thuận dòng. Thực tế β2 vào khoảng 1760 ÷ 1770.
• v0 – 2u = 0, u = 0 2
1v (2.9)
Nếu β2 là góc cố định ηtl = ηtlmax khi u = 0 2 1v
ηtlmax = ( ) ( )
cos 4 1 1
2 cos 2
1 1 02
2 0
0 0 2
v gH
v v v
gH β ⎟ = − β
⎠
⎜ ⎞
⎝⎛ −
− (2.10)
Vì v0 =ϕ 2gH nên ηtlmax = ( 2) 2 (1 cos 2 2 2
2 1 cos
4 1
1 − β ϕ gH = − β ϕ
gH ) (2.11)
Trong quá trình chứng minh ta giả thiết bỏ qua tổn thất thủy lực trong gáo và β1 = 0, thực ra w1 ≠ w2 và do đó thường u = (0,44 ÷ 0,48)v0 và hiệu suất thủy lực lớn nhất cũng chỉ bằng tlmax 0,88 ÷ 0,90 hơi thấp hơn hiệu suất của tuabin phản kích.
0 0
1 =10 ÷12
β