Giáo trình Tua bin thủy lực (Áp dụng cho trình độ trung cấp)

stator buồng xoắn và đoạn ống nối được thiết kế để chịu đựng được tất cả các tải lực có thể xuất hiện trong các điều kiện vận hành đă xác định; Ở phần cuối của buồng xoắn được bố trí các đường ống để thoát nước ṛò rỉ ở nắp tuabin; 17 Kèm theo buồng xoắn là cửa kiểm tra h́ơnh tṛn có đường kính 800 mm có bản lề, được bắt bulông từ bên ngoài và được làm bằng phẳng với bề mặt bên trong của buồng xoắn; Mỗi tuabin có một bộ các đầu đo ở vị trí tối ưu được xác định trong thử nghiệm mô h́ình để đo lưu lượng nước bằng phương pháp Winter-Kennedy. Các đầu đo Winter-Kennedy được sử dụng cho việc giám sát hiệu suất của tuabin trong suốt quá tŕnh vận hành. h) Cánh hướng nước Các cánh hướng nước và vành điều chỉnh được thiết kế để chịu đựng các lực và mômen thử nghiệm được tính toán từ mômen đo được trên mô h́nh các cánh hướng nước trong quá tŕnh thử nghiệm mô h́nh tuabin, cũng như các mômen bất kỳ có thể xuất hiện khi vận hành tuabin ; Để giảm tối thiểu rò rỉ nước qua cánh hướng nước phải căn chỉnh cẩn thận theo đường tiếp xúc khi cánh hướng ở vị trí đóng hoàn toàn; Các cánh hướng nước có xu hướng tự đóng lại từ vị trí độ mở lớn nhất đến vị trí tốc độ không tải; Tất cả các bạc của vành điều chỉnh và các cánh hướng nước được bố trí bên trong hộp bảo vệ, được lắp đặt trên nắp tuabin và vành dưới, các bạc có thể lắp lẫn bằng vật liệu tự bôi trơn và các ṿng đệm chèn kín có thể lắp lẫn bằng cao su tổng hợp. Cơ cấu điều khiển để điều chỉnh các cánh hướng nước được thiết kế để dễ dàng cho việc kiểm tra bảo dưỡng, sửa chữa, lắp đặt, hiệu chỉnh và tháo dỡ toàn bộ; Các ṿùng đệm chèn kín được bố trí không chỉ để bảo vệ các bạc tự bôi trơn mà cṇ ngăn chặn các vật rắn lẫn trong nước làm mài ṃn các chi tiết cơ khí; Mỗi cánh hướng nước hoặc cơ cấu liên kết của nó được lắp đặt một công tắc hành tŕnh để phát tín hiệu cảnh báo và bảo vệ nếu cánh hướng đó mất đồng bộ với các cánh hướng khác; Cơ cấu dẫn động có khả năng bảo vệ để cánh hướng nước không bị hư hỏng trong trường hợp có vật lạ kẹt giữa hai cánh hướng đang đóng; Hai secvomotor hoạt động kép có khả năng phối hợp đủ để tạo ra áp lực lớn nhất cần thiết để thao tác các cánh hướng tuabin khi áp lực dầu thấp nhất trong điều kiện vận hành b́nh thường và sự cố. Ở mỗi cuối hành tŕnh secvomotor có bộ phận giảm chấn. Cần nối secvomotor được thiết kế có thể điều chỉnh chiều dài của cần; 18 Các secvomotor được trang bị các thiết bị khóa cơ khí nhằm cố định chắc chắn các cánh hướng nước ở vị trí đóng. Các thiết bị khóa secvomotor được lắp trên vành điều chỉnh có thể vận hành tự động bằng xi lanh thủy lực. Mỗi xi lanh có lỗ xả đấu nối với các phụ kiện ống và hai van kim để gắn các áp kế kiểm tra và xả không khí trong xi lanh; Trong giếng tuabin có các thiết bị đặt sẵn dùng để bảo dưỡng, sửa chữa và tháo thiết bị điều chỉnh bằng palăng di động. k) Trục và các bộ phận ghép nối trục Trục tuabin được chế tạo bằng cách rèn liền khối thép hợp kim 20SiMn có các mặt bích trên và dưới dùng để ghép nối bằng bulông. l) Ổ hướng tuabin Ổ hướng tuabin được lắp đặt ở phần trên cùng của nắp tuabin. Mỗi ổ hướng sẽ chịu đựng được sự quay làm việc liên tục của trục tuabin đến tốc độ lồng tốc lớn nhất của tuabin; Ổ hướng được bôi trơn bằng dầu theo kiểu tuần hoàn cưỡng bức và tự điều chỉnh lưu lượng dầu, secmăng ổ hướng được phủ hợp kim babit và có khả năng điều chỉnh riêng lẻ vị trí của từng secmăng ; Ổ hướng tuabin được lắp đặt sao cho sự di chuyển thẳng đứng của trục tuabin nhằm mục đích căn chỉnh, tháo dỡ ổ đỡ tổ máy, tháo rời tuabin và roto máy phát có thể thực hiện được; Bên trong ổ hướng có bộ làm mát bằng nước kiểu giàn ống. Các bộ làm mát có thể tháo lắp mà không ảnh hưởng đến các secmăng ổ hướng hoặc các đường ống nước làm mát. Tất cả các đầu nối cấp và xả nước làm mát với các ống xoắn của bộ làm mát được lắp đặt phía ngoài bể chứa dầu và bố trí sao cho nước ṛ rỉ tại các vị trí đấu nối không lọt vào ổ hướng hoặc bể chứa dầu ; Ổ hướng được bố trí các bộ phận để lắp đặt các nhiệt kế và cảm biến nhiệt độ ổ hướng. Nhiệt độ trên bề mặt babit của secmăng khi mang tải không được vượt quá 65oC. Nhiệt độ dầu không được vượt quá 55oC; Trong mọi trường hợp vận hành của tổ máy, nước không được thâm nhập vào hệ thống dầu bôi trơn và không có hiện tượng dầu tạo bọt quá mức hoặc tổn thất do ṛ rỉ dầu, sự bốc hơi hoặc tràn dầu từ bất kỳ bộ phận nào; Các cảm biến mức dầu cũng như cảm biến nước trong dầu được cung cấp để phát tín hiệu cảnh báo và tác động bảo vệ. Ổ hướng và hệ thống dầu bôi trơn được thiết kế để tổ máy quay với tốc độ 19 lồng tốc cho phép lớn nhất khi các cánh hướng nước mở trong năm (05) phút mà không gây ra hư hỏng; Ổ hướng và hệ thống dầu bôi trơn được thiết kế để tổ máy có thể dừng từ chế độ vận hành b́nh thường hoặc lồng tốc mà không gây ra hư hỏng khi nước làm mát vẫn được cung cấp; Biện pháp bôi trơn thích hợp khi vận hành ở tốc độ thấp phải được chú ý đặc biệt; Dụng cụ chỉ báo quan sát trực tiếp mức dầu ổ hướng được lắp đặt có thang đo theo lít và chiều cao; Với mục đích lọc sạch dầu định kỳ, hệ thống dầu bôi trơn được trang bị một (01) bộ lọc dầu cố định và hai (02) đầu nối ống có van khóa và nắp bịt phù hợp để đấu nối với máy lọc dầu ly tâm di động. Bể chứa dầu được thiết kế để đấu nối với các hệ thống cung cấp và xả dầu của nhà máy. Các ống đấu nối được bịt kín trong chế độ vận hành b́nh thường của tổ máy; Cảm biến không tiếp điểm được bố trí tại ổ hướng tuabin để giám sát độ đảo trục lớn nhất của tuabin. m) Đệm chèn trục tuabin Đệm chèn trục tuabin là loại hướng tâm, bề mặt thép không gỉ, có thể thay thế đệm chèn trục tuabin bằng việc đưa đệm chèn trục sửa chữa vào làm việc. Các chi tiết của đệm chèn trục tuabin có khả năng thay thế dễ dàng mà không cần phải tháo dỡ trục tuabin; Các bộ phận cố định mang đệm chèn trục tuabin được chế tạo từ nhựa tổng hợp Pôly êtylen, các bộ phận tiếp xúc với đệm chèn trục tuabin được chế tạo từ vật liệu chống ma sát; Đệm chèn trục tuabin được cung cấp nước đă được lọc sạch với áp lực đủ để ngăn ngừa sạn, sỏi hoặc vật lạ khác có thể lọt vào đệm chèn; Nước ṛò rỉ được thu gom và hướng nước ṛ rỉ vào hệ thống thoát nước; Nước ở đệm chèn trục tuabin được cung cấp bởi hai (02) bộ lọc chiết tách kiểu thủy lực riêng rẽ, một làm việc một dự pḥng. Mỗi bộ lọc được cung cấp nước từ hai (02) nguồn cung cấp độc lập nhau. Lưu lượng nước được điều chỉnh bởi van kim. q) Nạp khí Tuabin có trang bị đường ống để nạp không khí cho bánh xe công tác khi tổ máy vận hành non tải và trong các điều kiện vận hành khác để đạt được giới 20 hạn đảm bảo của sự dao động công suất và dao động áp suất trong ống xả tuabin 1.2. Sơ đồ bố trí. Tuabin nước được lắp đặt tại NMTĐ để chuyển hoá năng lượng nước thành cơ năng và cơ năng được chuyển hoá thành điện năng nhờ máy phát điện, khi nước từ thượng lưu chảy theo đường dẫn tới tuabin, rồi chảy ra hạ lưu. Hình 1-1: Sơ đồ một NMTĐ Nhà máy thuỷ điện có hàng loạt ưu điểm : - Hiệu suất của NMTĐ có thể đạt được rất cao so với nhà máy nhiệt điện. - Thiết bị đơn giản, dễ tự động hoá và có khả năng điều khiển từ xa. - Ít sự cố và cần ít người vận hành. - Có khả năng làm việc ở các chế độ phụ tải thay đổi - Thời gian mở máy và dừng máy ngắn. - Không làm ô nhiễm môi trường. Mặt khác, nếu khai thác thuỷ năng tổng hợp, kết hợp với tưới tiêu, giao thông và phát điện thì giá thành điện sẽ giảm xuống, giải quyết triệt để hơn vấn đề của thuỷ lợi và môi trường sinh thái của một vùng rộng lớn quanh đó. Vốn đầu tư xây dựng NMTĐ đòi hỏi lớn hơn so với vốn xây dựng nhà máy nhiệt điện. Nhưng giá thành một kWh của thuỷ điện rẻ hơn nhiều so với nhiệt điện nên tính kinh tế chung vẫn là tối ưu hơn. Tuy nhiên, người ta cũng không thể khai thác nguồn năng lượng này bằng bất cứ giá nào. Xây dựng công trình thuỷ 1. Đập 2. Cửa nhận nước 3. Van sự cố đường ống 4. Ống hút 5. Các mố A. Cửa lấy nước B. Đường ống áp lực C. Tuabin 21 điện thực chất là một sự chuyển đổi điều kiện tài nguyên và môi trường. Sự chuyển đổi này có thể tạo ra các điều kiện mới, giá trị mới sử dụng cho các lợi ích kinh tế xã hội nhưng nó cũng có thể gây ra những tổn thất về xã hội và môi trường mà chúng ta khó có thể đánh giá được hết. Người ta chỉ khai thác thuỷ năng tại các vị trí công trình cho phép về điều kiện kỹ thuật, có hiệu quả kinh tế sau khi đã so sánh giữa lợi ích và các tổn thất. Ở những thành phố và khu công nghiệp lớn thường phải sử dụng kết hợp nhiều nhà máy nhiệt điện, điện nguyên tử và thuỷ điện. Chúng cần làm việc đồng bộ với nhau và sao cho đạt hiệu quả cao nhất. Hình 1-2 là biểu đồ công suất điện sử dụng cho một ngày đêm. Biểu đồ bao gồm những vùng chính I - điện cho những thiết bị dùng điện của các nhà máy phát điện. II - điện sinh hoạt, dân dụng. III - điện cho các cơ quan làm việc giờ hành chính. IV - điện cho các phương tiện giao thông. V - điện cho các cơ sở làm việc hai ca. VI - điện cho các cơ sở làm việc ba ca Các thông số đặc trưng của biểu đồ : Nmax – công suất lớn nhất trong ngày, tính bằng MW, còn gọi là đỉnh của biểu đồ. Nmin – công suất nhỏ nhất trong ngày, tính bằng MW Ntb – công suất trung bình ngày, tính bằng MW. Trong biểu đồ, phần nằm dưới giá trị NMTĐmin là vùng cơ bản, phần nằm giữa NMTĐmin và Ntb là vùng trung bình, phần nằm giữa Ntb và Nmax là vùng đỉnh. Vùng cơ bản do các nhà máy điện nguyên tử và nhiệt điện cung cấp. Vùng đỉnh do các nhà máy thuỷ điện cung cấp. Còn vùng trung bình do sự điều tiết của từng địa phương. Ở những nơi có trạm thuỷ điện tích năng thì vùng đỉnh và vùng trung bình do nhà máy thuỷ điện tích năng đảm nhiệm. Trong NMTĐ, tuabin nước thường được nối với máy phát điện. Máy phát điện nối với tuabin nước gọi là máy Hình 1-2 : Biểu đồ công suất điện sử dụng theo ngày 22 phát điện thuỷ lực, khối máy bao gồm tuabin nước ghép với máy phát điện gọi là tổ máy thuỷ lực, thường gọi tắt là tổ máy. Hình 1-3; 1-4 là kết cấu tổ máy thuỷ điện lớn đặt đứng. Máy phát điện 23 Tua bin nước Hình 1-4 : Tổ máy phát điện tuabin 1.2 Sơ đồ các kiểu nhà máy thuỷ điện : Trong thực tế có 3 phương pháp tập trung năng lượng của dòng nước tương ứng với 3 sơ đồ nhà máy thuỷ điện (hình 1-5; 1-6; 1-7) : Nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông, nhà máy thuỷ điện đường dẫn, nhà máy thuỷ điện tổng hợp. a. Nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông (hay sau đập) Để tập trung năng lượng, người ta dùng đập cột áp H là độ chênh mực nước trước và sau đập (tương ứng thượng và hạ lưu). Đập có hồ chứa nước lớn để điều tiết lưu lượng của dòng sông. Hình 1-5 : Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu lòng sông 1- bờ sông; 2- lưới chắn rác; 3- dòng thượng lưu; 4- âu thuyền;; 5- cửa xả nước không tải; 6-7- đập đất; 8- nhà máy thủy điện; 9- dòng chảy hạ lưu 24 Nhà máy thường đặt sau đập đối với cột nước lớn, hoặc là một bộ phận của đập đối với cột nước nhỏ. Các trạm thủy điện với phương pháp tập trung năng lượng bằng đập gọi là nhà máy kiểu lòng sông hay sau đập. Nó áp dụng cho các con sông ở đồng bằng, trung du nơi có độ dốc lòng sông nhỏ, lưu lượng sông lớn. Trong thực tế, chiều cao của đập bị hạn chế bởi kỹ thuật đắp đập và diện tích bị ngập. Cột áp ở các trạm thủy điện này không lớn, thông thường không lớn hơn 30  40m. Nhà máy thủy điện Thác Bà trên sông Chảy là nhà máy thủy điện kiểu lòng sông có cột áp H = 37 m, N = 120 MW (ba tổ máy). b. Nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn Nước được ngăn bởi một đập thấp rồi chảy theo đường dẫn (kênh, máng, tuynen, ống dẫn) đến nhà máy thủy điện. Ở đây cột áp cơ bản là do đường dẫn tạo nên, còn đập chỉ để ngăn nước lại để đưa vào đường dẫn. Kiểu NMTĐ này thường dùng ở các sông suối có độ dốc lòng sông lớn và lưu lượng nhỏ. Nhà máy thủy điện Đa Nhim (Ninh Thuận) có cột nước H = 800m, N = 160 MW (bốn tổ máy) là nhà máy kiểu đường dẫn. c. Nhà máy thủy điện kiểu tổng hợp Năng lương nước được tập trung là nhờ đập và cả đường dẫn. Cột áp của trạm gồm 2 phần : một phần do đập tạo nên, phần còn lại do đường dẫn tạo nên. Hình 1-6 : Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn Hình 1-7 : Sơ đồ NMTĐ kiểu tổng hợp 25 Nhà máy kiểu này được dùng cho các đoạn sông mà ở trên sông có độ dốc nhỏ thì xây đập ngăn nước và hồ chứa, còn ở phía dưới có độ dốc lớn thì xây đường dẫn. Nhà máy thủy điện Hòa Bình ( H = 88m, 8 tổ máy, mỗi tổ 220 MW) và Trị An (H = 50m, 4 tổ máy, mỗi tổ 100 MW) là các nhà máy kiểu tổng hợp. 2. Cấu tạo của tua bin phản kích 2.1. Tua bin tâm trục : Thường gặp ở các NMTĐ có cột nước trung bình và tương đối cao. Đề xuất mẫu tuabin này là của kỹ sư Francis người Mỹ (1855). Tuabin tâm trục được sử dụng ở cột nước H = 30 ÷ 700m với tuabin lớn hay H = 2 ÷ 200m với tuabin nhỏ. Tuabin tâm trục là một trong những hệ tuabin phản kích được sử dụng rộng rãi nhất. Chuyển động của chất lỏng trong BXCT lúc đầu theo hướng xuyên tâm. Khi đi qua rãnh giữa các cánh BXCT dòng nước chuyển hướng 900 và ra khỏi BXCT theo hướng dọc trục, vì thế được gọi là tuabin tâm trục - Buồng tua bin; Là bộ phận dẫn nước vào BXCT. Có nhiều loại buồng tuabin. Ở NMTĐ, buồng tuabin thường có dạng xoắn ốc, gọi là buồng xoắn. Kích thước, kết cấu buồng tuabin có ảnh hưởng quyết định đến kích thước NMTĐ. - Stato; Có nhiệm vụ truyền tải trọng nằm phía trên nó xuống móng NMTĐ. Các tải trọng này gồm : trọng lượng bản thân các phần quay và không quay của tổ máy, áp lực thuỷ động dọc trục tác dụng lên BXCT, tải trọng sàn và bệ đỡ máy phát điện. Răng buồng xoắn cũng làm nhiệm vụ Stato. - Bộ phận hướng dòng; nằm phía trong stato làm nhiệm vụ : + Thay đổi trị số và hướng của vận tốc dòng chảy trong khoảng không gian giữa BPHD và BXCT để tạo điều kiện thuận lợi cho dòng chảy đi vào cánh BXCT nhằm nâng cao hiệu suất tuabin. + Thay đổi công suất của tuabin bằng cách thay đổi lưu lượng nước đi qua tuabin. 26 Để làm nhiệm vụ trên, các cánh hướng dòng được bố trí đều chung quanh BXCT và mỗi cánh hướng được gắn vào hai vành trên và dưới. Các cánh hướng dòng có thể quay được quanh trục cánh có ổ trục tại vành trên vành dưới và đầu trục gắn vào vành điều chỉnh qua hệ thống thanh kéo, thanh quay (hình 1-10) Vành điều chỉnh được điều khiển từ động cơ secvô của máy điều tốc. Khi các cánh hướng dòng quay thì không những khoảng cách giữa các cánh hướng dòng (gọi là độ mở cánh hướng a0) thay đổi (nên lưu lượng đi vào tuabin thay đổi) mà cả hướng của vận tốc đi vào BXCT cũng thay đổi. Số lượng cánh hướng dòng thường nằm trong khoảng từ 16 cánh đến 32 cánh. Tuabin nhỏ (D1< 225 cm) có 16 cánh. ở tuabin lớn, với D1 < 650 cm có 24 cánh, còn với D1 > 700 cm có 32 cánh. Tuabin cực nhỏ, BPHD thường có cánh cố Hình 1-10: 27 định chuyển hướng của vận tốc dòng chảy vào BXCT và thường có số cánh ít hơn (10 ÷ 14 cánh). Để giảm bớt tổn thất thuỷ lực ở BPHD, hình dáng các cánh hướng dòng phải thuận dòng và bề mặt tiếp xúc với nước phải nhẵn và phải phối hợp với buồng tuabin, trụ stato sao cho góc tới của dòng chảy trong các chế độ làm việc của tuabin là bé nhất. Hiện tại, đối với tuabin phản kích đặt đứng thường dùng BPHD kiểu trụ như theo hình 1-10 . - Bánh xe công tác; BXCT tuabin tâm trục (hình 1-17) có vành trên 1 và vành dưới 3.Giữa hai vành là các cánh có dạng cong không gian 3 chiều, số lượng cánh từ 12 đến 22 chiếc.. BXCT tuabin tâm trục thường được đúc thành một khối. Trong điều kiện vận chuyển hạn chế có thể chế tạo BXCT gồm hai hoặc ba mảnh. Khi lắp ráp tại hiện trường sẽ hàn nối các rãnh phân chia. Cũng có khi người ta chế tạo cánh BXCT riêng rồi hàn hoặc đúc liền vào vành trên và vành dưới. BXCT tuabin tâm trục cột nước trung bình (H< 80m) như hình phải, còn với cột nước cao thì như hình trái. Hình 1-17 : Bánh xe công tác tuabin tâm trục 1. Vành trên; 2. Cánh BXCT; 3. Vành dưới 28 - Trục và ổ trục : 1. Thép lót hầm tuabin 2. Trục tuabin 3. Động cơ secvô 4. Vành điều chỉnh cánh hướng 5. Cánh hướng dòng 6. Ổ hướng 7. Kín trục 8. Bánh xe công tác Hình 1-18: Kết cấu tuabin Francis trục đứng 29 2.2. Tua bin hướng trục Bánh xe công tác của tua bin cánh quạt ; Tuabin chong chóng (còn gọi là tuabin Propeller hay tuabin cánh quạt) : Thuộc loại tuabin phản kích, dùng ở NMTĐ cột nước thấp H = 6 ÷ 80m Tuabin chong chóng có kết cấu đơn giản nhất trong các loại tuabin phản kích. Kết cấu của nó cũng thay đổi tuỳ thuộc vào cột nước và công suất tác dụng và cách lắp đặt (đặt đứng hoặc nằm). Trên hình 1-9 là kết cấu tuabin chong chóng đặt đứng, gồm có các bộ phận : + Bánh xe công tác tuabin gồm có bầu và các cánh BXCT gắn cố định trên bầu, thông thường là 4 đến 8 cánh. Cánh BXCT có thể chế tạo cùng với bầu thành một khối hoặc chế tạo riêng rồi gắn chặt với bầu bằng bulông. BXCT là bộ phận chuyển hoá năng lượng nước. Khi nước chảy trên mặt cong của cánh, do nước phải đổi hướng nên tạo ra một áp lực tác dụng lên bề mặt cánh BXCT, gây nên mômen quay làm quay BXCT tuabin. + Buồng BXCT là chỗ lắp đặt BXCT. Buồng BXCT có dạng hình trụ. Khe hở giữa buồng và cánh BXCT nằm trong phạm vi (0,0005 ÷ 0,001)D1, trong đó D1 là đường kính BXCT. + Buồng tuabin là bộ phận dẫn nước vào BXCT. Có nhiều loại buồng tuabin. Ở NMTĐ, buồng tuabin thường có dạng xoắn ốc, gọi là buồng xoắn. Kích thước, kết cấu buồng tuabin có ảnh hưởng quyết định đến kích thước NMTĐ. + Stato tuabin có nhiệm vụ truyền tải trọng nằm phía trên nó xuống móng Hình 1-9 30 NMTĐ. Các tải trọng này gồm : trọng lượng bản thân các phần quay và không quay của tổ máy, áp lực thuỷ động dọc trục tác dụng lên BXCT, tải trọng sàn và bệ đỡ máy phát điện. Răng buồng xoắn cũng làm nhiệm vụ Stato. + Bộ phận hướng dòng (BPHD) nằm phía trong stato làm nhiệm vụ : - Thay đổi trị số và hướng của vận tốc dòng chảy trong khoảng không gian giữa BPHD và BXCT để tạo điều kiện thuận lợi cho dòng chảy đi vào cánh BXCT nhằm nâng cao hiệu suất tuabin. - Thay đổi công suất của tuabin bằng cách thay đổi lưu lượng nước đi qua tuabin. Để làm nhiệm vụ trên, các cánh hướng dòng được bố trí đều chung quanh BXCT và mỗi cánh hướng được gắn vào hai vành trên và dưới. Các cánh hướng dòng có thể quay được quanh trục cánh có ổ trục tại vành trên vành dưới và đầu trục gắn vào vành điều chỉnh qua hệ thống thanh kéo, thanh quay (hình 1-10) Vành điều chỉnh được điều khiển từ động cơ secvô của máy điều tốc. Khi các cánh hướng dòng quay thì không những khoảng cách giữa các cánh hướng dòng (gọi là độ mở cánh hướng a0) thay đổi (nên lưu lượng đi vào tuabin thay đổi) mà cả hướng của vận tốc đi vào BXCT cũng thay đổi. Số lượng cánh hướng dòng thường nằm trong khoảng từ 16 cánh đến 32 cánh. Tuabin nhỏ (D1< 225 cm) có 16 cánh. ở tuabin lớn, với D1 < 650 cm có 24 31 cánh, còn với D1 > 700 cm có 32 cánh. Tuabin cực nhỏ, BPHD thường có cánh cố định chuyển hướng của vận tốc dòng chảy vào BXCT và thường có số cánh ít hơn (10 ÷ 14 cánh). Để giảm bớt tổn thất thuỷ lực ở BPHD, hình dáng các cánh hướng dòng phải thuận dòng và bề mặt tiếp xúc với nước phải nhẵn và phải phối hợp với buồng tuabin, trụ stato sao cho góc tới của dòng chảy trong các chế độ làm việc của tuabin là bé nhất. Hiện tại, đối với tuabin phản kích đặt đứng thường dùng BPHD kiểu trụ như theo hình 1-10 . Ngoài các bộ phận trên còn có nắp tuabin và bộ phận đỡ trục (ổ hướng của tuabin) v.v.. Bánh xe công tác của tua bin cánh quay ; Tuabin cánh quay (còn gọi là tuabin Kaplan) : Thuộc loại tuabin phản kích, thường gặp ở các NMTĐ vừa và lớn với cột nước thấp và trung bình. Mẫu tuabin này do kỹ sư Vikto Kaplan người Tiệp Khắc đề xuất (1913). Cột nước làm việc của tuabin H = 6 ÷ 80m. Mặc dù các bộ phận nói chung giống tuabin chong chóng, song kết cấu tuabin Kaplan phức tạp hơn (xem hình 1-12 và 1-13). Hình 1-11: Cắt dọc NMTĐ với tuabin Kaplan Sự khác nhau chủ yếu ở chỗ cánh BXCT 1và bầu BXCT 4 được chế tạo riêng biệt. Ở đây cánh BXCT có trục quay cánh 2 và ổ đỡ nên cánh có thể quay Hình 1 32 được. Bên trong bầu BXCT 4 lắp đặt pittông động cơ secvô 7 có các tai nối với các cánh BXCT qua thanh kéo 6 và thanh quay 5 làm quay đồng thời các cánh BXCT 1. Nhờ vậy, khi cột nước làm việc và lưu lượng của tuabin thay đổi ta có thể thay đổi góc đặt cánh của tuabin để quá trình chuyển hoá năng lượng đạt kết quả cao nhất. Hình 1- 13: Kết cấu tuabin Kaplan Buồng bánh xe công tác. 2.3. Tua bin chéo trục Tuabin chéo trục được sử dụng ở các NMTĐ có cột nước H = 30  200m. Nó thuộc hệ tuabin cánh quay. BXCT gồm có 10  14 cánh được gắn vào bầu hình chóp nhờ các trục cánh. Trục cánh làm với trục tuabin một góc  = 300, 450, 600 nên dòng chảy trong BXCT có hướng chéo trục. Tuabin chéo trục là tuabin trung gian giữa tuabin tâm trục và cánh quay, nó kết hợp được các ưu điểm của hai hệ tuabin kể trên. Cũng như ở tuabin cánh quay, các cánh BXCT quay được quanh trục của nó nhờ cơ cấu quay cánh nên hiệu suất của nó cao hơn tuabin tâm trục ở hầu hết các chế độ làm việc. Mặt khác số cánh BXCT của loại tuabin này nhiều hơn so với tuabin cánh quay nên có thể làm việc với cột nước cao hơn nhưng mà vẫn không bị xâm thực. 1. Bánh xe công tác 2. Cánh BXCT 3. Cánh hướng dòng 4. Cơ cấu xoay cánh BXCT 5. Máy phát 33 Hình 1-16 : Cắt dọc tuabin chéo trục 2.4. Tua bin cánh kép Muốn cho tuabin cánh quay làm việc với cột nước cao hơn thi phải tăng số lượng cánh BXCT từ 6  10 cánh. Như vậy, bầu BXCT phải có đường kính lớn mới có thể bố trí được bộ phận quay cánh BXCT trong đó. Mặt khác như vậy sẽ làm giảm khả năng thoát nước cũng như đặc tính xâm thực của tuabin. Để có thể tăng số cánh mà vẫn bảo đảm đường kính bầu không vượt quá trị số cho phép, tốt hơn hết là trên mỗi trục cánh lắp hai cánh, chẳng hạn dùng 8 cánh thỡ chỉ cần dựng 4 bộ trục cánh là đủ. 2.5. Tua bin chảy thẳng 3. Cấu tạo của tua bin xung kích: 34 3.1. Tua bin gáo Do kỹ sư người Mỹ Pelton đề xuất (1870). Tuabin gáo thường dùng ở NMTĐ cột nước cao, với H = 300 ÷ 2000m ở thuỷ điện lớn và 40 ÷ 250m ở thuỷ điện nhỏ Tuabin gáo có nguyên lý làm việc khác với tuabin phản kích nên về cấu tạo cũng khác hẳn.Tuabin gáo có thể đặt đứng hoặc ngang, loại trục nằm ngang thường có công suất bé và có từ một đến hai vòi phun cho một BXCT, số lượng BXCT trên cùng một trục thường là một hoặc hai. 35 1. Vòi phun 2. Kim phun 3. BXCT 4. Gáo 5. Đầu kim 6. Mực nước hạ lưu 8. Đĩa BXCT 12. Khuỷa cong 13. Trụ van kim 17. Khuỷa cong dưới 18. Ống xả nước 20. Đầu lệch dòng 21. Thanh chống 22. Pitton động cơ secvô dịch chuyển đầu kim 23. Lò xo kín van kim 24. Van solenoid điều khiển động cơ secvô 25. Vô lăngdịch chuyển đầu van kim 31 và 32. Vỏ tuabin 32a. Tấm chắn hướng nước từ BXCT vào hạ lưu 32b. Rãnh thoát tia nước khỏi trục 34. Tấm thép lót 40. trục tuabin 40a. Cam gối dọc trục 42. Gối ngoài tuabin 43. Vị trí nối trục máy phát Hình 1-21 : Tuabin Pelton trục ngang hai BXCT và mỗi BXCT có hai vòi phun Trong tuabin Pelton, nước từ thượng lưu theo đường ống áp lực qua cửa van, đoạn ống chuyển tiếp rồi vào vòi phun truyền động năng dòng chảy vào BXCT. Sau khi ra khỏi BXCT, nước được tháo xuống kênh xả hạ lưu. Trong vòi phun có van kim tác dụng điều chỉnh lưu lượng thông qua việc điều chỉnh tiết diện dòng tia vào BXCT. BXCT gồm có 14  60 cánh giống như gáo, giữa có sống nhô (như lưỡi dao) phân chia gáo thành hai phần bằng nhau. Các cánh BXCT được gắn chặt vào đĩa (bằng cách hàn hay ghép bulông) nằm trên trục quay. Để cho nước tác dụng vào cánh gáo khỏi bắn tung tóe khi chuyển từ gáo này sang gáo khác ở đầu dưới khoét miệng lõm vào. Ở tuabin gáo cột nước cao có đường ống dài còn có bộ phận cắt dòng để hướng một phần hay toàn bộ tia nước không cho vào BXCT để tránh hiện tượng nước va xảy ra khi đóng nhanh van 36 kim của nó. Ở các tuabin gáo có máy điều tốc tự động thì sự chuyển động có phối hợp giữa van kim và bộ phận cắt dòng được thực hiện nhờ bộ liên hợp nằm trong máy điều tốc. Vỏ che ngoài BXCT có nhiệm vụ không cho nước từ BXCT bắn ra ngoài, hình dáng vỏ che phải đảm bảo để nước từ vỏ che không rơi ngược vào lưng gáo. Loại trục đứng có số vòi phun nhiều hơn, thường từ hai đến sáu, các vòi phun được bố trí đều chung quanh BXCT. Hình 1-22 và 1-23 dưới đây mô tả mặt cắt dọc và cắt ngang tuabin gáo trục đứng nhiều vòi phun. 37 1. BXCT 2. Cơ cấu lệch dòng 3. Sàn kiểm tra 4. Vòi phun chính 5. Kim phun 6. Chỗ rẻ nhánh 7. Ống phân phối 8. Mối nối co dãn 9. Rãnh thoát 3.2. Tua bin xung kích 2 lần 38 4. Các bộ phận phụ của tua bin Để đảm sự làm việc bình thường của tuabin, phải có các bộ phận phụ bố trí cạnh tổ máy, đó là: van phá chân không, van xả tải, van trước tuabin, thiết bị tháo nước rò rỉ trên nắp tuabin, thiết bị dầu bôi trơn v.v 4.1 Van phá chân không Khi đóng nhanh cơ cấu hướng nước của tuabin phản kích thì trong buồng BXCT áp suất bị giảm xuống. Đối với những TTĐ có ống xả dài và đường ống áp lực tương đối ngắn thì hiện tượng giảm áp suất này càng lớn, nước từ ống xả chảy ngược vào BXCT với tốc độ khá lơn (sóng ngược) có thể gây nên sự va đập vào rôto tổ máy có thể làm hư hại tuabin và máy phát. Có thể ngăn ngừa hiện tượng nói trên bằng cách đặt ở trên nắp tuabin một hay hai van phá chân không, van này có lỗ thông với phía dưới BXCT tuabin. Khi đóng nhanh cơ cấu hướng nước van này sẽ tự động mở và cho không khí vào buồng BXCT. 39 Hinh (1.27) là kết cấu van phỏ chõn khụng ứng với vị trớ đóng van. Vỏ van (1) được gắn trên nắp tuabin, bên trong vỏ có xilanh (2), và được giữ chặt ở vị trí đóng nhờ lũ xo (3). đầu dưới của xilanh này được nối với cần (14) của đĩa van (5), phía trong xi lanh có pittông (6) và cần (7) xuyên qua nắp van (8). Đầu trên cần (7) cú lắp rũng rọc (9) tỳ vào nờm (10) (nờm nối với vũng điều chỉnh của BPHN). Pittông (6) lẫn rũng rọc (9) bị nõng lờn trờn, nhờ lũ so (11). Ở đáy pớttụng cú van tiết lưu (12) và van 1 chiều (13), van1 chiều này bị ép chặt vào đáy Pittông nhờ lũ so (4). Ngăn trên của xilanh luôn luôn thông với khí trời qua van tiết lưu (16), cũn ngăn dưới của nó cũng vậy qua lỗ (17). Không khí đi và BXCT qua cửa sổ (18). Khi cắt tải đột ngột, bộ phận hướng nước sẽ xê dịch nêm (10) sang trái, làm cho ròng rọc, cần pittông và pittông (6) bị ấn xuống dưới, lúc đó vỡ dầu trong xilanh Hình 1.27: Van phá chân không chưa kịp qua van tiết lưu để chảy lên ngăn trên nên dầu ở phía dưới xilanh bị nén lại nên đẩy cả xilanh (2) lẫn cần và đĩa van (5) xuống dưới nhờ đó không khí có thể từ nắp trên tuabin qua lưới chắn rác xuống phía dưới BXCT. Sau đó do có một ít dầu chảy qua van tiết lưu đi lên ngăn trên của pittông, nên áp lực trong đó giảm xuống, lũ xo (4) giãn ra và đẩy xilanh (2) và đĩa van (18) đóng lại. Cần chỳ ý là khi cần mở to BPHN thỡ van phỏ chõn khụng vẫn nằm ở vị trớ đóng (vị trí cho ở hình vẽ) và khụng khớ khụng thể chui qua van này xuống phía dưới BXCT. Thật vậy, từ hỡnh (1.27) ta thấy, khi BPHN chuyển động về phía mở thỡ nờm (10) dịch từ trỏi sang phải, nờn rũng rọc (9) khụng chịu nộn nữa và lũ xo (8) sẽ gión ra kộo cần (7) và pittụng (5) lờn trờn. Lỳc này nhờ van một chiều (13) (van này chỉ cho phép dầu chảy một chiều từ trên xuống dưới) nên dầu ở ngăn trên của xilanh (2) dễ dàng xuống ngăn dưới của nó bảo đảm cho xilanh (2) vẫn ở vị trí ban đầu. 4.2 Van xả không tải Van xả bỏ được sử dụng ở các tuabin cột nước cao. Hình (1.28) là sơ đồ van xả bỏ lắp phía dưới buồng xoắn kim loại. Khi đóng nhanh BPHN do cắt phụ tải 40 đột ngột, thì ngoài hiện tượng giảm áp như đã nói ở trên xảy ra ở phía sau BPHN, còn có hiện tượng nước va ở trong hệ thống dẫn nước của tuabin. Trị số lưu lượng trong tuabin càng thay đổi đột ngột ( dQ/dt lớn) thì áp lực nước va càng lớn.Van xả bỏ có tác dụng giảm áp lực nước va kể trên. Khi tuabin đang làm việc bình thường thì van xả bỏ đóng. Trong trường hợp hệ thống điện có sự cố, máy phát điện bị tách khỏi lưới điện, lúc đó BPHN đóng và van xả bỏ mở để xả bớt một phần lưu lượng qua van này xuống hạ lưu TTĐ. Như vậy có thể giảm bớt áp lực nước va trong đường ống áp lực của TTĐ bằng cách giữ cho lưu lượng trong đường ống thay đổi chậm hơn so với độ mở của BPHN. Khi BPHN đóng lại, van xả bỏ sẽ từ từ trở về vị trí ban đầu, và sau thời gian nhất định, van này sẽ đóng hoàn toàn. Từ hình (1.28) ta nhận thấy nhờ van xả bỏ mà sự thay đổi lưu lượng trong đường ống theo thời gian (đường 1) sẽ chậm hơn nhiều so với trường hợp không có van xả bỏ (đường 2). nhận thấy nhờ van xả bỏ mà sự thay đổi lưu lượng trong đường ống theo thời gian (đường 1) sẽ chậm hơn nhiều so với trường hợp không có van xả bỏ (đường 2). Hình 1.28: Sự thay đổi lưu lượng tuabin khi có van xả bỏ Sơ đồ nguyên lý chuyển vận của van xả bỏ, xem hình (1.28). Ngoài hai loại van xả bỏ và van phá chân không còn có van bổ sung không khí lắp ở phía trên trục máy phát hay dưới trục tuabin, van này có tác dụng bảo đảm cho tuabin làm việc ổn định khi làm việc với cột nước thấp. 4.3 Van tua bin Van tuabin được bố trí giữa đường ống áp lực và tuabin, ở các TTĐ sử dụng ống rẽ nhánh hoặc TTĐ cột nước cao H > 200 - 300m. Đối với các tuabin cỡ lớn thường dùng ba loại van: đĩa, cầu và van kim dùng ở các TTĐ có cột nước rất cao. 41 Van đĩa (hình 1.29) hoặc van bướm có cấu tạo đơn giản gồm vỏ (1) và đĩa van (2) quay quanh trục của nó nhờ động cơ tiếp lực dầu cao áp. Trước khi mở van ta phải mở van cạnh (3) để cân bằng áp lực nước hai bên đĩa van. Van đĩa sử dụng ở các lực nước hai bên đĩa van. Van đĩa sử dụng ở các TTĐ có cột nước H = 150m với đường kính ống áp lực bằng 7 - 8m. Khi cột nước H > 150m thì phải sử dụng van cầu. Van cầu hình (1.29b) gồm có vỏ (1) và rôto hình cầu (2), đường kính trong của rôto bằng đường kính của đường ống áp lực. Rôto có thể quay được góc 90 độ nhờ động cơ tiếp lực dầu cao áp. Van cầu có cấu tạo phức tạp hơn van đĩa. Người ta đã snả xuất van cầu có đường kính đạt tới 3m và dùng cột nước cao. Van cầu và van đĩa chỉ làm việc bình thường ở độ mở hoàn toàn, còn các độ mở khác thì trạng thái thủy lực sẽ kém đi. Van kim (hình 1.29c) gồm có vỏ (1), chóp thoát nước (2) (nối với vỏ nhờ các trụ) và pittông kiểu hình trụ (3). Pittông này xê dịch được nhờ áp lực nước ở trong buồng A và B. Van kim có đặc tính thủy lực tốt, kín, dễ thao tác và có thể làm việc ở độ mở bộ phận, tuy nhiên khuyết điểm của nó là có cấu tạo phức tạp, kích thước lớn và giá thành cao. Chương 3: Quá trình làm việc của tua bin Mục tiêu: Học xong chương này người học có khả năng: - Mô tả được các quá trình chuyển động của chất lỏng trong tua bin, tổn thất năng lượng và hiệu suất của chúng; - Trình bày được nguyên lý điều chỉnh dòng chảy và lưu lượng nước qua tua bin; - Giải thích được hiện tượng khí thực và các biện pháp phòng chống. Nội dung: 1. Chuyển động của chất lỏng trong tua bin Cấu trúc dòng chảy trong tuabin rất phức tạp. Ở đó, các phần tử chất lỏng một mặt men theo bề mặt cánh dạng cong không gian, mặt khác chảy vòng quanh trục quay tuabin. Vì vậy, chuyển động của chất lỏng không phải chuyển động phẳng mà là chuyển động không gian ba chiều. Sự thay đổi vận tốc (cả hướng lẫn trị số) dòng chảy sẽ làm thay đổi các yếu tố thủy động lực học của tuabin như lưu lượng Q, số vòng quay n, hiệu suất  v.v...Bởi thế, muốn hiểu được quá trình làm việc của tuabin trước hết cần phân biệt các khái niệm về chuyển động tương đối và 42 tuyệt đối của chất lỏng trong bánh xe công tác của tuabin 1.1Chuyển động tương đối ; 1.2 Chuyển động tuyệt đối; 1.3. Tam giác vận tốc. 43 2. Phương trình cơ bản của tua bin: Thời gian: 2 giờ 2.1. Khái niệm 44 2.2. Phương trình cơ bản tua bin 45 Dòng chảy trong tua bin xung kích Tam giác tốc độ và cửa vào BXCT 46 Phương trình cơ bản tua bin gáo: 3. Các trạng thái dòng chảy trong bánh xe công tác: Thời gian: 2 giờ 47 3.1. Điều kiện để hiệu suất thuỷ lực của tua bin lớn nhất; 3.1.1 Điều kiện đối với tua bin phản kích: 3.1.1.1 Chảy vào không va 48 3.1.1.2 Chảy ra thẳng góc 49 3.1.2. Điều kiện đối với tua bin xung kích 50 4. Sự tổn thất năng lượng và hiệu suất tua bin: Thời gian: 2 giờ 4.1. Tổn thất dung tích; 51 4.2. Tổn thất thuỷ lực; 4.3. Tổn thất cơ giới. 5. Sự điều chỉnh lưu lượng: 5.1. Dòng chảy trong cánh hướng nước và lưu lượng nước chảy qua tua bin 52 5.2. Các biện pháp làm thay đổi lưu lượng qua tua bin 53 - Quay cánh hướng nước; - Quay cánh bánh xe công tác ; - Quay cả cánh hướng nước và cánh bánh xe công tác. 6. Hiện tượng khí thực 6.1. Hiện tượng Khí thực là một hiện tượng hoá lý phức tạp xảy ra trên bề mặt phần dẫn dòng khi dòng chảy qua tuabin. Chương này chúng ta không đi sâu vào quá trình biến đổi tính vật lý và các phản ứng hoá học của hiện tượng khí thực mà chỉ giới 54 w w thiệu những khái niệm cơ bản. Nội dung chủ yếu là nghiên cứu nguyên nhân hình thành, tác hại, phương pháp phòng ngừa hiện tượng khí thực đối với tuabin thủy lực. 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). 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. 55 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. 6.2. Nguyên nhân 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). Nhiệ t 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 56 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 giãn nở. b)Tác dụng hoá học. Khi bọt khí bị nén ở vùng áp lực cao sẽ có toả 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. 6.3. Tác hại 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. 7. Các biện pháp phòng chống khí thực: 57 7.1. Biện pháp thiết kế 7.2. Biện pháp chế tạo Một trong các biện pháp bảo vệ các bộ phận của phần nước qua của tuabin khỏi bị phá hoại do tác dụng khí thực là chọn hợp lí các nguyên vật liệu chế tạo. Chẳng hạn, đẻ chế tạo phần nước qua của tuabin cột nước vừa và cao ( cánh BXCT, buồng BXCT tuabin dọc trục, BXCT tuabin tâm trục, cánh hướng nước) có thể sử dụng kim loại sau đây: thép ít cácbon có phủ ngoài một lớp hợp kim có tính ổn định về mặt khí thực; cánh BXCT làm bằng thép không gỉ. Thép hợp kim mang nhãn hiệu (kí hiệu của Liên Xô) 20CЛ chứa các thành phần sau đây: C = 0,16 0,22%; Mn = 1 1,3%; Si = 0,6 0,8%;; hoặc dùng thép không gỉ mang nhãn hiệu 20 x 13H-ậ (C = 0,17 0,23%; Cr = 12 14%; Ni = 0,6 1%; Mn = 0,5 0,8%; Si = 0,7%). Hiện nay ở Nga các ngành chế tạo tuabin dùng rộng rãi thép không gỉ và thép chứa ít các bon: 0 x 12HÄ ( C 0,1%; Cr = 12 13,5%; Ni = 1 1,5%; Cu = 1 1,3%; Mn = 0,2 0,64%; Si = 0,4%). Thép không gỉ 20 x 13H- ậ có ưu điểm là tính chất hoá họ tốt, chống khí thực tốt nhưng khó hàn, còn thép hợp kim 0 x 12HД thì dễ hàn hơn nếu dùng để chế tạo BXCT kiểu hàn. 7.3. Biện pháp vận hành. - Duy trì tuabin làm việc ở chế độ không khí thực hoặc khí thực chỉ biểu hiện ở mức độ nhẹ. - Dẫn không khí vào phía dưới BXCT để làm giảm bớt khí thực xoang và giảm 58 áp lực mạnh động. Nếu không khí được dẫn đúng nơi và số lượng không khí vừa phải thì có thể làm giảm độ rung máy. Chương 4: Bộ điều chỉnh của tua bin thủy lực Mục tiêu: Học xong chương này người học có khả năng: - Giải thích được khái niệm, sự cần thiết, nguyên tắc điều chỉnh tua bin; - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc của các loại máy điều tốc, các thiết bị dầu áp lực, các loại động cơ tiếp lực vv.. - Vẽ được sơ đồ cấu tạo, trình bày được nguyên lý làm việc của các loại máy điều tốc, các thiết bị dầu áp lực, các loại động cơ tiếp lực vv.. Nội dung: 1. Khái niệm chung 1.1. Hệ thống điều tốc tuabin Đối với lưới điện hiện đại, yêu cầu tần số điện không đổi (50Hz hoặc 60Hz), hay nói chính xác hơn, phạm vi biến đổi rất nhỏ, dưới 0,1%. Vì vậy nó đòi hỏi tốc độ quay của tuabin không được thay đổi. Song, khi phụ tải thay đổi, mômen (tương ứng với công suất phát của tuabin) và mômen cản (tương ứng với phụ tải) sẽ mất cân bằng, làm tốc độ quay của tuabin thay đổi. Muốn giữ tốc độ quay của tuabin không đổi, phải tạo nên cân bằng mới giữa mômen quay và mômen cản, tức là phải thay đổi công suất phát để nó tương ứng với trị số phụ tải mới. Để thay đổi công suất trên trục tuabin, người ta thường thay đổi lưu lượng qua tuabin bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng dòng Hình 3-5: 59 của tuabin phản kích, hay thay đổi độ mở vòi phun của tuabin xung kích. Việc tăng giảm độ mở tuabin để thay đổi công suất hay dừng máy có thể thao tác bằng tay khi yêu cầu chính xác của tần số điện không cao và lực đóng mở tuabin không lớn, tức chỉ được dùng ở trạm thuỷ điện nhỏ. Để đảm bảo chất lượng điện đưa lên lưới (gồm điện áp và tần số) cũng như để đảm bảo yêu cầu dừng máy cấp tốc người ta phải tiến hành thao tác điều chỉnh tuabin một cách tự động, tức bộ phận điều chỉnh lưu lượng qua tuabin phải được thao tác bằng các động cơ secvô có lực thao tác lớn nhờ áp lực dầu từ các ống dẫn dầu áp lực. Dầu áp lực này được cung cấp từ thiết bị dầu áp lực và được điều khiển, khống chế từ thiết bị điều tốc. Ba bộ phận này hợp lại thành hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ quay của tuabin 2. Sơ đồ cấu tạo chung Máy điều tốc gồm các cơ cấu phức tạp để thao tác điều chỉnh tự động tốc độ quay của tuabin cũng như các thao tác điều khiển, khống chế chế độ làm việc của tuabin. Các bộ phận chính của máy điều tốc gồm có : Hình 3-7: Cụm điều khiển thiết bị dầu áp lực Bộ phận cảm biến : Ghi nhận mức độ thay đổi tốc độ quay của tổ máy. Bộ phận khuếch đại : Làm nhiệm vụ nhận tín hiệu từ bộ phận cảm biến và khuếch đại tín hiệu. 60 Bộ phận phân phối dầu áp lực : Căn cứ vào tín hiệu từ bộ phận cảm biến để điều phối dầu áp lực tới động cơ secvô thao tác đóng mở bộ phận hướng dòng của tuabin. Đó là van trượt phân phối (còn gọi là van điều phối). Bộ phận chấp hành : Thực hiện mệnh lệnh đóng mở các cánh hướng tuabin. Đó là động cơ secvô gồm xilanh và pittông di chuyển bên trong xilanh theo hướng đóng hoặc mở các cánh hướng tuabin tuỳ thuộc vào hướng tác dụng của dầu áp lực, do van trượt phân phối điều phối. Bộ phận phản hồi : Nhằm đưa tín hiệu vị trí pittông động cơ secvô phản hồi trở lại để bộ phận cảm biến trở về vị trí cũ ứng với trạng thái cân bằng mới của tuabin. Ngoài ra, trong máy điều tốc còn có một số bộ phận điều khiển như cơ cấu biến tốc, cơ cấu giới hạn độ mở..dùng để thay đổi phụ tải tổ máy đảm nhận, hay khống chế độ mở tối đa của cánh hướng dòng.. Ở tuabin tâm trục hay tuabin chong chóng, máy điều tốc chỉ nhằm thay đổi độ mở bộ phận hướng dòng, gọi là máy điều tốc điều chỉnh đơn (có một bộ phận điều chỉnh). Ở tuabin cánh quay hay tuabin gáo có thêm thiết bị làm lệch tia nước thì phải dùng loại máy điều tốc điều chỉnh kép. Ở tuabin cánh quay, có hai bộ phận điều chỉnh, đó là bộ phận điều chỉnh độ mở cánh hướng dòng và bộ phận điều chỉnh góc đặt cánh BXCT của tuabin. Góc đặt cánh BXCT được thay đổi tuỳ thuộc vào cột nước và độ mở cánh hướng dòng, vì vậy, phải có cầu nối giữa hai bộ phận điều chỉnh này gọi là bộ phận liên hợp. Ở tuabin gáo cũng vậy, khi đóng chậm vòi phun bằng van kim để giảm áp lực nước va thì thiết bị làm lệch tia nước phải cắt ngay tia nước ra khỏi gáo rồi sau đó mới từ từ trở về vị trí cũ nên cũng cần phải có thêm bộ phận điều chỉnh thứ hai để thao tác thiết bị làm lệch tia nước. Ở máy điều tốc nhỏ, thiết bi dầu áp lực và tất cả các bộ phận của thiết bị điều tốc được bố trí trong cùng một tủ điều tốc, còn ở thuỷ điện lớn thì thiết bị dầu áp lực bố trí riêng, các bộ phận của thiết bị điều tốc (trừ động cơ secvô) được bố trí trong tủ điều tốc . Ở thuỷ điện lớn, động cơ secvô thường gồm hai chiếc, bố trí sát nắp tuabin hoặc nằm trên nắp tuabin. 61 Hình 3-9: Điều tốc tuabin gáo. 1- van kim; 2- cơ cấu lệch dòng Hình 3-10: Cơ cấu điều tốc tuabin Francis 3. Các sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ tua bin 3.1 Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động trực tiếp Cấu tạo của MĐT loại này gồm có: con lắc ly tâm 4, tay đòn HZS và vn điều tiết lưu lượng 3, con lắc ly tâm 4 quay được nhờ động cơ điện 2 có liên hệ bằng cơ hay điện với trục turbin.Đầu bên trái của tay đòn HZS được nối với con lắc nhờ hộp trục H còn bên phải nó được nối với van điều tiết 3 tại điểm S. Khi cắt phụ tải, vì độ mở ao của các cánh hướng nước chưa thay đổi quay của quả lắc li tâm tăng lên, quả lắc văng ra xa, kéo hộp trục H lên trên, lú đó tay đòn HZS sẽ quay quanh điểm tựa Z theo chiều kim đồng hồ và đẩy van 3 xuống thấp để giảm bớt lưu lượng Q qua turbin, đảm bảo cho công suất turbin bằng công suất máy phát điện. 3.2 Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp 62 1.2.1 Máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phản hồi cứng; Trong sơ đồ này, ngoài bộ phận ĐCTL và van trượt kể trên còn có thêm bộ phận phản hồi kiểu đòn bẩy HZS, nó có tác dụng đưa kim trượt kịp thời trở về vị trí trung gian. Từ sơ đồ nguyên lí cho ở hình (8.4) ta thấy, lúc đầu tay đòn ở vị trí 1 và sua khi pittông ĐCTL chuển động về phía đóng bộ phận điều chỉnh thì hệ thống phản hồi cứng kiểu đòn sẽ đẩy điểm Z cùng điểm S (nối với kim van) lên trên (ở vị trí 2), kết quả là kim trượt sẽ trở về vị trí trung gian. Khác với sơ đồ không có phản hồi, ở đây khi quá trình điều chỉnh kết thúc, động cơ tiếp lực sẽ đứng im tại vị trí cân bằng mới và số vòng quay của turbin cũng sẽ ổn định ở vị trí mới tương ứng với vị trí mới của hộp trục. Hình vẽ cho truờng hợp giảm phụ tải của máy phát điện. 1.2.2 Máy điều tốc tác động gián tiếp không có bộ phận liên hệ ngược (phản hồi ngược). Theo sơ đồ này con lắc được liên hệ với van trượt 4 qua tay đòn 2. Chất lỏng có áp (dầu có áp) được dẫn vào van trượt 4, van này có tác dụng phân phối dầu vào các ngăn của ĐCTL. Lực tác động của động cơ tiếp lực phụ thuộc kích thước và áp suất của dầu áp lực. Cấu tạo ĐCTL gồm một pittông chuyển động trong một xilanh và pittông này được nối với vành điều chỉnh của bộ phận hướng dòng qua thanh kéo đẩy. Van trượt được thông với 2 ngăn của ĐCTL nhờ 2 ống dầu đặt ở 2 đầu của xilanh. Cấu tạo van trượt gồm có vỏ hình trụ và một chiếc kim trượt trong đó. Trên thành vỏ có 63 khoét 5 lỗ nhỏ (cửa sổ); cửa sổ ở giữa được thông với dầu có áp lấy từ thiết bị dầu có áp tới van trượt qua cửa này: 2 cửa làm việc (ở vị trí cân bằng thì 2 cửa sổ này ngăn tương ứng của ĐCTL qua 2 ống dẫn dầu, 2 cửa xả dầu trên và dưới cùng thông với thùng dầu xả. Như vậy, khi chuyển dời khỏi vị trí cân bằng thì dầu có áp sẽ từ cửa sổ giữa đi vào một ngăn nào đó của động cơ tiếp lực, còn dầu có áp trong ngăn khác của ĐCTL sẽ theo cửa sổ làm việc và lỗ xả trở về thùng dầu xả, hai phía của ĐCTL có độ chênh áp lực làm chuyển động bộ phận điều chỉnh turbin. 6. Thiết bị dầu có áp lực của máy điều tốc Như trên đã trình bày, để thao tác điều tốc cần có hệ thống dầu áp lực làm nguồn cung cấp năng lượng, lấy dầu áp lực làm môi chất truyền lực cho động cơ secvô. Thiết bị dầu áp lực có nhiệm vụ cung cấp dầu áp lực cho tủ điều chỉnh tốc độ tuabin và trong một số trường hợp, còn cung cấp dầu áp lực cho động cơ secvô đóng mở van đĩa, van cầu, van tháo không tải...(dùng chung một hệ thống dầu) Trong bình chứa dầu áp lực, dầu chỉ chiếm 30 ÷ 40% thể tích, phần còn lại là không khí nén. Nhờ tính đàn hồi của không khí nén mà sóng áp lực sinh ra khi thao tác điều chỉnh tuabin được giảm đi rất nhiều. Lượng dầu và áp lực dầu trong bình chứa đảm bảo cho các bộ phận thao tác điều chỉnh tuabin làm việc bình thường, nó là nguồn dự trữ năng lượng, nên giảm nhẹ được công suất bơm dầu (so với dùng bơm dầu trực tiếp vào bộ phận điều chỉnh tuabin). Hình 3-6 64 Trong quá trình làm việc, dầu và không khí nén trong bình chứa dầu bị hao hụt do rò rỉ, vì vậy phải đặt hai bơm dầu (một bơm làm việc, một bơm dự trữ) để bơm dầu từ thùng chứa dầu vào bình chứa dầu áp lực. Còn không khí nén thì được các máy nén khí trong hệ thống khí nén của nhà máy cung cấp theo định kỳ. Áp lực khí nén trong bình chứa dầu thường là 25 kG/cm2, 40 kG/cm2 hoặc 63 kG/cm2. Do thao tác điều khiển động cơ secvô, làm áp lực trong bình chứa dầu sụt xuống. Khi áp lực trong bình chứa dầu sụt xuống bớt 2 ÷ 3 kG/cm2 so với bình thường thì các máy bơm dầu hoạt động nhờ các rơle áp lực. Khi áp lực đạt bình thường thì rơle tự động điều khiển dừng máy bơm. Để bơm dầu không chịu áp lực dầu khi dừng máy, lắp đặt van một chiều trên đường ống. Để đảm bảo an toàn vận hành, cần lắp đặt van an toàn trên bình chứa dầu. Ngoài ra còn có phao chỉ mức dầu, áp kế...Dầu ở thiết bị dầu áp lực là dầu sạch, có độ nhớt 4-50E ở nhiệt độ 500C. Tài liệu tham khảo 1 Giáo trình tua bin thuỷ lực- NXB Xây dựng - năm 2008 2 Giáo trình tua bin nước- NXB Xây dựng - năm 1974 3 Điều chỉnh tua bin nước- NXB Xây dựng - năm 1972 65 4 Bảo dưỡng, sửa chữa tua bin nước - NXB Lao động -Xã hội - năm 2006 5 Vận hành tua bin nước- NXB Lao động -Xã hội - năm 2006