Giáo trình Tuabin thủy lực

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA ÑAØ NAÜNG

GIÁO TRÌNH TUABIN THỦY LỰC

Tháng 11-2010

LỜI NÓI ĐẦU

Để đáp ứng nhu cầu học tập Thuỷ điện của sinh viên khoa Xây dựng Thuỷ

lợi - Thuỷ điện thuộc Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng trong giai đoạn mới,

chúng tôi biên soạn giáo trình "Turbine thuỷ lực - các thiết bị thuỷ lực và Công

trình trạm Thuỷ điện" (là giáo trình môn học Thuỷ điện 2). Giáo trình này được

biên soạn theo nội dung "Đề cương môn học Thuỷ điện" đã được nhà trường phê

duyệt năm 2005.

Giáo trình Thuỷ điện 2 gồm 17 chương, được trình bày trong hai phần lớn:

phần I (thiết bị thuỷ điện) và phần II (công trình Thuỷ điện):

Phần I - "Turbine thuỷ lực - các thiết bị thuỷ lực" của trạm thuỷ điện, gồm

8 chương (từ chương I đến chương VIII). Phần này dùng để giảng với 20 tiết trên

lớp, nội dung tìm hiểu: turbine thuỷ lực, thiết bị điều tốc, các thiết bị phụ và các

hệ thống thiết bị phụ thuỷ lực ... về cấu tạo, tính năng hoạt động cũng như lựa

chọn, tính toán xác định các thông số cơ bản và kích thước của thiết bị đủ phục

vụ cho thiết kế trạm thuỷ điện.

Phần II - "Công trình trạm thuỷ điện", gồm 9 chương dùng để giảng 40

tiết trên lớp, thuộc hai phần: Phần IIa -"Các công trình thuộc tuyến năng lượng"

với 7 chương (từ chương IX đến chương XV), bao gồm các công trình thuộc

tuyến năng lượng: cửa lấy nước, bể lắng cát, công trình dẫn nước, bể áp lực,

đường ống turbine, buồng điều áp. Nội dung trình bày về cấu tạo cũng như tính

toán xác định kích thước các công trình thông qua tính toán thuỷ lực và tính toán

dòng không ổn định của chúng. Phần IIb - "Nhà máy thuỷ điện", gồm 2 chương

XVI và XVII, nội dung trình bày các loại nhà máy thuỷ điện và một số thiết bị cơ

điện của chúng, cách bố trí, xác định kích thước nhà máy, tính toán ổn định và

tính kết cấu các phần dưới nước của nhà máy.

Giáo trình này đề cập khá đầy đủ nội dung chuyên môn của môn học Thủy

điện 2, đáp ứng 60 tiết giảng trên lớp và còn có thể dùng tham khảo thêm sau này

khi sinh viên ra trường tham gia vào lĩnh vực thiết kế công trình thuỷ điện sẽ gặp

phải.

Trong quá trình biên soạn giáo trình, do khả năng có hạn do vậy không

tránh khỏi thiếu sót, mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của đồng nghiệp và

bạn đọc để sửa chữa cho tốt hơn.

Tháng 5 - 2006

Tác giả

1

2

Phần I

TURBINE THỦY LỰC & CÁC THIẾT BỊ THỦY LỰC CỦA TTĐ

Turbine thủy lực là loại động cơ chạy bằng sức nước, nó nhận năng lượng dòng

nước để quay và kéo rô to máy phát điện quay theo để tạo ra dòng điện. Tổ hợp turbine

thủy lực và máy phát điện gọi là "Tổ máy phát điện thủy lực". Ở phần này chúng ta chỉ

nghiên cứu về turbine thủy lực, thiết bị điều tốc và giới thiệu một số hệ thống thiết bị

thủy lực có liên quan .

Chương I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TURBINE THỦY LỰC

I. 1. PHÂN LOẠI TURBINE THỦY LỰC CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN

Trong quá trình đấu tranh sinh tồn và cải tạo thế giới tự nhiên, loài người đã sớm

biết sử dụng các động cơ thủy lực: từ những bánh xe nước dùng vào việc kéo máy xay

xát nông sản đến phát triển chúng lên thành những turbin thuỷ lực hiện đại kéo máy

phát điện để sản xuất ra điện năng ngày nay. Để sử dụng một cách có hiệu quả năng

lượng dòng nước đặc trưng bởi tổ hợp cột nước và lưu lượng khác nhau cần phải có đủ

những loại turbine khác nhau về cấu tạo, kích thước cũng như quá trình làm việc của

chúng.

Dựa vào việc sử dụng dạng năng lượng trong cơ cấu bánh xe công tác (BXCT)

của turbine người ta chia turbine thủy lực ra làm hai loại: turbine xung kích và turbine

phản kích. Trong các loại lại chia ra các hệ và các kiểu turbine.

Viết phương trình Becnully cho cửa vào (chỉ số1) cửa ra (chỉ số2) của bánh xe

công tác turbine, ta có năng lượng viết cho một đơn vị trọng lượng nước như sau:

2

p − p

α V − α V

1 1 2 2

1

2

H = (Z₁- Z₂) +

+

γ

2g

Z₁-Z₂: là thành phần năng lượng do chênh lệch vị trí tạo ra, gọi là vị năng;

p − p

1

2

: là áp năng; gộp vị năng và áp năng thành thế năng ( T ).

γ

2

α V − α V

1 1

2 2

: là động năng ( Đ ).

2g

Từ những thành phần năng lượng trên ta có những loại turbine thuỷ lực sau:

* Turbine chỉ sử dụng phần động năng để làm quay BXCT gọi là loại turbine xung

kích. Loại này còn gọi là turbine dòng chảy không áp vì dòng chảy trong môi trường

khí quyển nên chuyển động của dòng tia trên cánh BXCT là chuyển động không áp, áp

suất ở cửa vào và cửa ra như nhau và bằng áp suất khí trời. Turbine xung kích đuợc chia

ra các hệ sau:

+ Hệ turbine xung kích gáo (turbine Penton);

+ Hệ turbine xung kích kiểu phun xiên;

+ Hệ turbine xung kích hai lần (turbine Banki).

3

* Turbine sử dụng cả thế năng và động năng, trong đó phần thế năng là chủ yếu gọi là

loại turbine phản kích . Loại này còn gọi là turbine dòng chảy có áp, áp lực dòng chảy

ở cửa vào của BXCT luôn lớn hơn áp lực ở cửa ra của nó. Dòng chảy qua TB là dòng

liên tục điền đầy nước trong toàn bộ máng cánh. Loại này được chia ra các hệ sau:

+ Hệ TB xuyên tâm hướng trục ( gọi tắt là là turbine tâm trục, hay Franxis);

+ Hệ TB hướng trục ( gồm turbine cánh quạt và turbine cánh quay );

+ Hệ TB hướng chéo;

+ Hệ TB dòng ( gồm turbine dòng nửa thẳng và turbine dòng thẳng );

+ Hệ TB thuận nghịch ( làm việc theo hai chế độ: máy bơm và turbine).

I . 2. TURBINE XUNG KÍCH

Như trên đã nói, turbine xung kích là loại chỉ sử dụng phần động năng của dòng

chảy. Ở loại turbine này, dòng nước sau khi ra khỏi vòi phun thì toàn bộ năng lượng

dòng chảy đều biến thành động năng để đẩy bánh xe công tác. Vì chảy trong môi trường

khí quyển nên chuyển động của dòng tia trên các cánh bánh xe công tác (BXCT) là

chuyển động không áp hay còn gọi là dòng tia tự do. Sau đây chúng ta nghiên cứu cụ

thể các hệ của turbine xung kích:

I . 2 .1. Turbine xung kích gáo ( còn gọi là turbine Penton )

Turbine này do người Mỹ tên là Penton đưa ra năm 1880 nên còn gọi là turbine

Penton. Quá trình hoạt động của turbine gáo như sau (xem hình 1-1): nước từ thượng

lưu theo ống áp lực 1 chảy qua vòi phun 2 (ở đây lưu lượng được điều chỉnh trước khi

phóng vào cánh BXCT nhờ van kim 7), rồi phóng vào cánh dạng gáo 4 của turbine, làm

quay BXCT kéo theo trục turbine 5 quay, nước đập vào cánh gáo bị bắn ra hai phía và

được vỏ 6 của turbine gom lại dẫn về hầm xả để tháo về hạ lưu của nhà máy.

Hình 1-1. Turbine xung kích gáo

Sau đây chúng ta xem xét cấu tạo và tác dụng các bộ phận chính của turbine gáo

(hình 1-2). Vòi phun 1 nhận nước từ ống áp lực biến toàn bộ năng lượng dòng nước

thành động năng trước khi đưa vào BXCT và điều chỉnh lưu lượng vào turbine nhờ dịch

4

chuyển qua lại của van kim 3 đặt bên trong (hình 1-2,a). Turbine gáo cột nước cao và

ống áp lực dài còn có bộ phận tách dòng 5 để hướng một phần hay toàn bộ tia nước

không cho vào BXCT để tránh hiện tượng nước va xảy ra quá lớn khi đóng nhanh van

kim của nó. Bộ phận này chỉ làm việc khi cắt giảm phụ tải máy phát điện. Khi phụ tải

giảm, van kim cần phải nhanh chóng đóng bớt độ mở để giảm lưu lượng thich hợp, tuy

nhiên nếu van đóng quá nhanh trong vòi phun sẽ xuất hiện áp lực nước va quá lớn làm

bể vòi phun. Để giảm trị số áp lực nước va, lúc này máy điều tốc sẽ nhanh chóng nhấc

thiết bị tách dòng 5 lên ngắt bớt phần lưu lượng thừa ra khỏi cánh gáo. Nhờ vậy lưu

lượng vào BXCT vẫn giảm ngay theo yêu cầu giảm tải mà van kim chỉ phải đóng từ từ.

Sự phối hợp dịch chuyển van kim và thiết bị tách dòng liên hợp với nhau nhờ cơ cấu

liên hợp trong máy điều tốc (xem chương VII -Thiết bị điều tốc của turbine thuỷ lực).

Hình 1-2. Các bộ phận chính của turbine gáo

Bánh xe công tác của turbine gáo ( hình 1-1 và 1-2b,c ) gồm có đĩa 1 trên chu vi

đĩa có gắn các cánh dạng gáo 2 (nên gọi là gáo). Phụ thuộc vào cột nước mà số gáo có

từ 14÷60 cánh. BXCT có thể là một khối liền khi các cánh gáo và đĩa được đúc thành

một khối, và không phải là khối liền khi cánh gáo được đúc riêng và được gắn lên đĩa

bằng bu lông hoặc hàn. Chính giữa cánh gáo có gân 3 chia gáo làm hai phần bằng nhau

để chia tia nước tác động vào gáo thành hai phần đi về hai hướng bắn ra hai bên. Đuôi

dưới của cánh gáo được khoét hõm 4 để cho tia nước xuyên qua hõm của cánh trước

5

đập thẳng vào cánh gáo thẳng góc (theo chiều quay) làm tăng cánh tay đòn của mômen

quay và tránh mômen ngược của tia nước vào phía sau gáo nằm phía trước.

Vỏ turbine có nhiệm vụ không cho nước từ buồng BXCT bắn ra ngoài gian

máy. Vỏ phải có kích thước và hình dáng thế nào để hứng nước từ gáo xuống hầm xả

mà không rơi ngược trở lại phía sau gáo làm cản trở việc quay của BXCT. Điều này rất

quan trọng đối với turbine gáo trục đứng có nhiều vòi phun.

Hầm xả có nhiệm vụ tập trung nước sau khi đi khỏi BXCT lại để dẫn về hạ lưu.

Mực nước trong hầm xả phải bảo đảm thấp hơn cao trình thấp nhất của BXCT một

khoảng nào đó, thường là bằng đường kính D₁và đặt cao hơn mức nước trong hầm xả.

Loại trục ngang thường có công suất bé và có từ một đến hai vòi phun cho mỗi

BXCT (hình 1-1,b), số lượng bánh xe công tác trên một trục thường nhỏ hơn ba. Loại

trục đứng có số vòi phun nhiều hơn, thường hai đến sáu vòi, được bố trí đều chung

quanh BXCT. Hình 1-3 là biểu thị turbine gáo trục đứng có sáu vòi phun.

Mặt bằng

Mặt đứng

Hình 1-3. Turbine gáo trục đứng nhiều vòi phun

Turbine gáo sử dụng động năng để quay do vậy cần tạo nên vận tốc dòng phun

lớn để tăng công suất turbine, măt khác kết cấu BXCT rất vững chắc do vậy turbine này

được sử dụng với cột nước cao lưu lượng nhỏ. Turbine gáo loại lớn có phạm vi sử dụng

cột nước từ 200÷2000m hoặc hơn nữa, turbine gáo loại nhỏ thì từ 40÷250m. Trục

turbine gáo có thể đứng (hình 1-3) hoặc ngang. Trạm TĐ Bôgôta ở Côlombia đã đạt đến

cột nước rất cao H = 2000m, công suất lắp máy N = 500 MW. Trạm Raisec ở Úc có cột

nước H = 1767m. Nước ta có các trạm H = 500÷800m như Vĩnh Sơn và Đa Nhim, sử

dụng hệ turbine xung kích gáo.

I. 2. 2. Turbine xung kích hai lần ( turbine Banki )

Turbine xung kích hai lần có phạm vi sử dụng cột nước từ 6÷150m, thường từ

10÷60m. Kết cấu của nó rất đơn giản (hình1-4), dễ chế tạo nên được sử dụng rộng rãi ở

các trạm thủy điện nhỏ có lưu lượng bé, cột nước vừa, trục thường nằm ngang.

6

Hình 1-4. Turbine xung kích 2 lần

Turbine gồm có vòi phun tiết diện hình chữ nhật 4 được nối liền với đoạn ống

chuyển tiếp 8. Vòi có cơ cấu điều chỉnh lưu lượng gồm van phẳng 3 gắn với trục điều

khiển 2 có tay quay vô lăng. Khi vô lăng quay, trục điều chỉnh sẽ tịnh tiến về phía trước

hoặc phía sau làm cho tiết diện ra của vòi phun thay đổi, nên lưu lượng vào turbine cũng

được thay đổi theo. Bánh xe công tác gồm các cánh cong 7 được gắn giữa các đĩa 6, số

cánh từ 12÷48. Trục turbine xuyên qua giữa bánh xe công tác gắn chặt với các đĩa bằng

then. Vỏ (buồng) 9 dùng để chắn không cho nước từ BXCT bắn ra ngoài. Hầm xả 5 có

nhiệm vụ dẫn nước về hạ lưu.

Hình dáng BXCT turbine xung kích hai lần gần giống lồng sóc. Dòng nước từ

vòi phun tác dụng vào các cánh phía trên (nhận khoảng chừng 80% năng lượng của

dòng nước) đẩy BXCT lần thứ nhất, xong lại đi vào khoảng trống giữa BXCT rồi lại tác

dụng lần thứ hai vào cánh trước khi ra khỏi bánh xe công tác (nhận thêm 20÷30% phần

năng lượng còn lại). Cũng chính vì thế ta gọi nó là turbine xung kích hai lần. Hiệu suất

của loại turbine này tùy thuộc vào số cánh của BXCT và vào khoảng 80÷85%. Ưu điểm

cơ bản của turbine xung kích hai lần là có thể chọn đường kính BXCT và số vòng quay

turbine trong một phạm vi rộng mà không phụ thuộc vào lưu lượng, bởi vì lưu lượng

không chỉ phụ thuộc vào đường kính mà còn phụ thuộc vào chiều rộng BXCT nữa. Như

vậy có thể chế tạo turbine với đường kính bé để có vòng quay lớn, do vậy giảm giá

thành chế tạo turbine và tổ máy thủy lực.

I. 2. 3 Turbine xung kích phun xiên

Turbine xung kích phun xiên (hình 1-5) có hình dạng giống turbine gáo chỉ khác

ở kết cấu BXCT và hướng của tia nước vào BXCT. Tia nước bắn vào BXCT không

trực giao với cánh mà làm với cánh một góc α, nhờ thế có thể làm vành ghép mép ngoài

của BXCT nên đơn giản hóa được cách ghép cánh vào đĩa. Hình dạng cánh loại này

cũng dễ chế tạo hơn. Nó cho phép gia công hàng loạt bằng cách đập. Turbine tia

nghiêng ít được sử dụng rộng rãi, nó chỉ được sử dụng ở TTĐ nhỏ có cột nước vào

khoảng H = 30÷400m.

7

Hình 1-5. Turbine xung kích phun xiên

I . 3. TURBINE PHẢN KÍCH

Turbine phản kích là loại sử dụng phần thế năng và một phần động năng của

dòng nước. Bánh xe công tác của nó làm việc trong môi trường chất lỏng liên tục và áp

lực nước ở phía trước bánh xe công tác lớn hơn phía sau của nó. Khi chảy qua rãnh tạo

bởi bề mặt cong của các cánh, dòng nước sẽ thay đổi hướng tác dụng lên cánh và làm

quay BXCT. Dựa vào hướng của dòng nước ở cửa vào và cửa ra BXCT người ta chia

turbine làm các hệ: tâm trục, hướng trục, cánh chéo, turbine dòng, thuận nghịch.

Hình 1-6. Các bộ phận chính của turbine phản kích.

Xét về mặt cấu tạo, bất cứ hệ turbine phản kích nào cũng gồm các bộ phận chính

sau: buồng turbine 1, vòng bệ 2, cơ cấu hướng dòng 3, BXCT 4, buồng BXCT 5, ống xả

6, trục và ổ trục 7 và các thiết bị phụ của chúng (hình 1-6).

Sáu bộ phận đầu hình thành bộ phận qua nước của turbine, còn ổ trục và trục là

bộ phận kết cấu có nhiệm vụ tiếp nhận và truyền mô men quay từ BXCT đến rôto của

8

máy phát điện. Trong các bộ phận qua nước thì BXCT là bộ phận trực tiếp biến đổi thủy

năng thành cơ năng chuyển động quay. Bộ phận cơ cấu hướng nước có tác dụng thay

đổi trị số lưu lượng và hướng dòng chảy trước khi đi vào BXCT, còn ống xả được dùng

để tháo nước từ BXCT về hạ lưu.

Sau đây chúng ta lần lượt xem xét các bộ phận của turbine phản kích, các hệ

turbine khác nhau chủ yếu là bánh xe công tác còn các bộ phận khác nhìn chung giống

nhau. Việc phân loại TB phản kích dựa vào hướng dòng nước đi vào và ra khỏi BXCT.

I. 3. 1. Bánh xe công tác của turbine tâm trục (turbine Franxis )

Turbine tâm trục (xem hình 1-7) là một trong những hệ TB phản kích được sử

dụng rộng rãi nhất. Chất lỏng từ buồng 4 qua cánh hướng dòng 3 vào cửa vào cánh 1

BXCT theo hướng xuyên tâm rồi chuyển chuyển hướng 90⁰và ra khỏi BXCT để vào

ống xả theo hướng dọc trục. Do vậy gọi là turbine tâm trục. Turbine này do kỹ sư người

Pháp tên là Franxis hoàn chỉnh năm 1849 nên còn gọi là turbine Franxis.

Hình 1-7. Bánh xe công tác của turbine tâm trục

BXCT của turbine tâm trục gồm có vành trên 14 và vành dưới 13, các cánh 1 có

dạng cong không gian ba chiều gắn chặt vào hai vành. Số cánh từ 12 đến 22 cánh,

thường là 14 đến 18 cánh. Thường BXCT được đúc liền thành một khối, trường hợp bị

điều kiện vận chuyển hạn chế có thể chế tạo BXCT thành từng phần, khi lắp ráp sẽ dùng

các bulông ghép vành trên và đai ghép nóng ở vành dưới của các phần đó lại hoặc hàn

9

nối các rãnh phân chia. Đối với turbine nhỏ có thể dập cánh, sau đó định vị chúng rồi

đúc liền vành trên và dưới để được BXCT liền khối vững chắc.

Tùy theo cột nước sử dụng, đường kính lớn nhất cửa vào D₁(đường kính tiêu

chuẩn) và đường kính lớn nhất cửa ra D₂mà người ta chia turbine tâm trục làm 3 dạng:

- Dạng D₁< D₂gọi là turbine tỷ tốc cao loại này dùng với cột nước thấp (H< 80m) vì

cấu tạo của chúng có khả năng chịu lực không cao (hình 1-7,b);

- Dạng D ₁> D₂gọi là turbine tỷ tốc thấp (hình 1-7,c) loại này có cấu tạo vững chắc

do vậy chúng được dùng với cột nước cao, đã có turbine làm việc với cột nước 550m;

- Dạng D₁= D₂gọi là turbine tỷ tốc trung bình, nó là loại trung gian giữa 2 loại trên.

Turbine tâm trục có phạm vi sử dụng cột nước thường từ vài mét đến 550m. Ở

nước Nga, Trạm thủy điện Cracnoarck sử dụng loại này với công suất mỗi turbine là

508MW, đường kính D₁= 7,5m. Ở nước ta, TTĐ sông Đà và Trị An đều dùng turbine

tâm trục, TTĐ Hòa Bình dùng 8 turbine tâm trục, công suất mỗi turbine là 240MW, H =

88m.

I. 3. 2. Bánh xe công tác của turbine hướng trục

Gọi là turbine hướng trục vì hướng chảy của dòng nước trong phạm vi BXCT

theo hướng trục quay của turbine. Trên (hình 1-8) nước từ buồng xoắn chảy qua cột

vòng bệ 10 vào cánh hướng nước 3 đổi hướng và chảy vào và ra khỏi cánh 11 của

BXCT 1 theo chiều dọc trục và theo ống xả về hạ lưu nhà máy.

Hình 1-8. Turbine hướng trục.

BXCT gồm có bầu 1 được nối bích với trục turbine 2, xung quanh bầu bố trí các

cánh hình vặn vỏ đổ để áp lực nước tác động lên cánh làm quay BXCT. Liên kết giữa

cánh và bầu theo kết cấu côngxôn nên chịu áp lực thấp, số cánh thường ít do vậy khả

năng tháo nước lớn. Trong hệ hướng trục dựa vào sự liên kết giữa cánh và bầu người ta

chia hệ hướng trục ra hai dạng: turbine có cánh gắn cố định với bầu là turbine cánh

quạt, còn turbine cánh có thể quay quanh trục của nó trên bầu là turbine cánh quay.

10

1. Turbine cánh quạt

BXCT của turbine cánh quạt (hình 1-9) gồm có bầu, có gắn từ 3 đến 9 cánh,

thông thường là 4 đến 8 cánh. Cánh có thể chế tạo liền với bầu tạo thành một khối thống

nhất hoặc chế tạo riêng biệt sau đó gắn chặt vào bầu bằng bulông. Khi đi qua các mặt

cong của cánh, dòng nước buộc phải đổi hướng chuyển động do đó tạo ra một áp lực tác

Hình 1-9. BXCT của turbine cánh quạt

dụng lên cánh làm quay BXCT. Nhược điểm của loại BXCT này là có đường đặc tính

công tác dốc, do vậy khi lưu lượng, cột nước hoặc công suất thay đổi lệch với chế độ

thiết kế thì hiệu suất turbine sẽ giảm đi rất nhanh. Đối turbine tỷ tốc cao chỉ cần lưu

lượng giảm đến còn 45% lưu lượng tính toán thì hiệu suất và công suất có thể giảm đến

không. Do vậy nên cho turbine cánh quạt đảm nhận công suất và cột nước ít thay đổi.

Turbine cánh quạt được sử dụng ở Trạm thuỷ điện có cột nước H = 1,5÷40m, hiện nay

thường dùng ở TTĐ nhỏ, tuy rằng đã có turbine dạng này đường kính đạt đến 9 m.

2. Turbine cánh quay ( Kaplan )

Turbine cánh quay (hình 1-10) là loại ra đời sau cánh quạt. Năm 1924 giáo sư

người Tiệp tên là Kaplan đã cải tiến thành công turbine cánh cố định thành cánh quay

được, nên turbine này còn được gọi là turbine Kaplan. Nhờ cánh có thể quay được xung

quanh bầu, do vậy thích ứng được các chế độ làm việc khác chế độ thiết kế dẫn đến

vùng làm việc của turbine với hiệu suất cao được mở rộng. Do vậy TB cánh quay có

khả năng làm việc với công suất và cột nước thay đổi nhiều. BXCT của TB cánh quay

gồm có: bầu, cánh, chóp thoát nước và bộ phận quay cánh xung quanh BXCT. Bầu phải

có hình cầu để giảm bớt khe hở giữa cánh với bầu khi quay cánh. Chóp thoát nước có

tác dụng làm cho nước chảy khỏi BXCT thuận dòng hơn và giảm được tác dụng mạch

động. Khi làm việc, các cánh BXCT hướng trục chịu tác dụng áp lực nước ở dạng sơ đồ

chịu lực kiểu dầm côngxôn do không có vành dưới, tại nơi tiếp giáp cánh với bầu chịu

mômen uốn lớn nhất. Người ta đã đo được áp lực nước tác dụng lên một cánh có thể đạt

tới 240 tấn. Do vậy phải sử dụng động cơ tiếp lực dầu cao áp mới quay được cánh .

Bộ phận quay cánh gồm trục cánh 6 (hình 1-10,b), động cơ tiếp lực 4, hệ thống

thanh truyền 7. Tay quay 8 được nối với trục cánh 6, còn thanh truyền có chốt nối liền

11

píttông 5 của động cơ tiếp lực với tay quay. Pittông 5 chia xi lanh của động cơ tiếp lực

làm hai ngăn: trên và dưới. Dầu có áp từ thiết bị dầu áp lực qua hai ống dẫn đồng tâm

lồng vào nhau nằm bên trong trục tổ máy. Khi dầu có áp vào một ngăn nào đó của xi

lanh còn ở ngăn kia dầu thông với lỗ dầu xả thì pittông lẫn thanh truyền 7 sẽ dịch lên

Hình 1-10. Turbine Kaplan

hoặc xuống, do đó làm xoay các cánh theo các góc quay như nhau. So với turbine cánh

quạt thì turbine cánh quay được dùng với cột nước thấp hơn do khả năng chịu lực của

nó có yếu hơn. Cùng với turbine tâm trục, turbine cánh quay được sử dụng rất rộng rãi.

Ngày nay thế giới đã có những turbine cánh quay cực lớn, như ở TTĐ Xaratôp ở Nga có

đường kính tiêu chuẩn D₁= 10,3m, cột nước thiết kế H = 9,7m, với công suất N =

59,3MW, vòng quay định mức n = 50 vòng/phút, trọng lượng 1229tấn. Turbine ở trạm

TĐ Porto Primavera ở Brasil có D₁= 8,6m, N = 105MW, cột nước H = 22m.

12

I. 3. 3. Turbine cánh chéo

Hình 1-11. Turbine cánh chéo

Turbine cánh chéo (hình 1-11) được ra đời chậm hơn các loại turbine trên, nó là loại

trung gian giữa tâm trục và hướng trục. Nó kết hợp được các ưu điểm của hai hệ turbine

trên. Turbine cánh chéo được sử dụng ở các TTĐ có cột nước H = 30÷150m. Nó thuộc

loại turbine cánh quay. BXCT gồm 10 đến 14 cánh được gắn vào bầu 3 hình chóp nhờ

các trục cánh 2. Trục cánh làm với trục turbine một góc 30⁰,45⁰,60⁰nên dòng chảy trong

BXCT chéo góc với trục. Cũng như turbine cánh quay, các cánh BXCT quay được

quanh trục của nó, nhờ cơ cấu quay cánh gồm vành sao 5 và thanh truyền 4 nằm trong

bầu nên hiệu suất bình quân của nó cao hơn turbine tâm trục ở hầu hết các chế độ làm

việc. Mặt khác số cánh BXCT của turbine này nhiều hơn so với turbine cánh quay nên

có thể làm việc với cột nước cao hơn mà vẫn không bị khí thực. Loại turbine này đã

được chế tạo ở Nga dùng cho TTĐ Buctamin có công suất N = 77MW, cột nước H =

61m, đường kính D₁= 4,35m, n =150 vòng/phút.

Ngoài ra, TB cánh quay làm việc với cột nước thấp, muốn chịu được cột nước

cao hơn thì phải tăng số lượng cánh BXCT của nó lên từ 6 đến 10 cánh. Như vậy bầu

BXCT phải có đường kính lớn. Để có thể tăng số cánh mà không phải tăng đường kính

thì tốt hơn hết là trên mỗi trục cánh lắp hai cánh kép (hình1-12). Loại này đã được lắp

đặt ở nhà máy thủy điện Thác Bà với đường kính D₁= 4,5m, H = 32m.

13

Hình 1-12. Bánh xe công tác của turbine cánh kép

I. 3. 4. Turbine dòng

Turbine dòng gồm hai loại: dòng chảy thẳng và nửa thẳng. Turbine dòng thực

chất là turbine cánh quay trục ngang, nên BXCT của nó hoàn toàn giống turbine cánh

quay. Loại này dùng với cột nước rất thấp và lưu lượng rất lớn.

1. Turbine dòng nửa thẳng (hình 1-13), turbine này còn gọi là turbine Capxun.

Tổ máy có turbine trục ngang nối liền trục với trục máy phát điện đặt trong bọc kín

bằng kim loại 1 (gọi là cáp xun) có dạng thuận dòng. Cáp xun chứa máy phát điện có

thể nằm trước BXCT hoặc nằm sau BXCT trong ống hút thẳng 2. Các cánh hướng dòng

3 thuộc loại hướng tâm hoặc hình chóp. Stator thuộc loại và cùng với các trụ tựa sẽ

truyền tải trọng tổ máy lên móng máy. Liên hệ giữa các thiết bị đặt trong cáp xun với

gian máy bằng các tháp 4. Turbine cap xun có hiệu suất cao hơn so với turbine phản

kích khác đến 30% do khả năng tháo nước của nó. Turbine cap xun được sử dụng rộng

rãi ở Nga, Nhật, Mỹ... ở các sông vùng đồng bằng hoặc ở các TTĐ thủy triều. Trạm TĐ

Trereparec có công suất mỗi turbine N = 20MW, H = 14,9m. Trạm thuỷ điện có turbine

cáp xun lớn nhất là Kiev có N = 320MW.

14

Hình 1-13. Tổ máy cáp xun

2. Turbine dòng thẳng

Ở turbine dòng thẳng (hình 1-14), dòng nước theo buồng turbine hình trụ thẳng

đi qua Stator trước 1 vào bộ phận hướng dòng 2 và tác động vào BXCT 3 về hạ lưu theo

dòng thẳng. Rôtor máy phát điện 4 được gắn vào mút cánh TB, do vậy khi BXCT quay

Hình 1-14. Turbine dòng thẳng

15

thì cũng chính là rotor quay. Turbine dòng thẳng có cấu tạo phức tạp, đặc biệt là ở các

vòng đệm chống thấm vòng quanh mà hiệu suất không cao hơn turbine hướng trục bình

thường mấy, nên ít được sử dụng. Trạm thuỷ điện Ortatran ở Liên Xô cũ sử dụng

turbine này với công suất turbine N = 6,3MW, cột nước H = 10,5m.

I. 3. 5. Turbine thuận nghịch

Turbine thuận nghịch được dùng trong " tổ máy hai máy" ở các TTĐ tích năng,

có khả năng làm việc ở hai chế độ: bơm nước và phát điện. Tổ máy gồm có hai máy:

turbine thuận nghịch và máy điện ( "máy phát điện - động cơ điện") làm việc ở 2 chế độ

máy phát và động cơ. Tổ máy loại này thay cho các loại tổ máy làm việc ở các chế độ

riêng biệt không kinh tế hoặc " tổ máy ba máy ". Nguyên lý làm việc của turbine và máy

bơm trái ngược nhau, do vậy để làm việc ở một chế độ cụ thể phải chỉnh chiều quay

cánh thích hợp với từng chế độ làm việc. Sau đây là một ví dụ về turbine Capxun thuận

nghịch (hình 1-15). Turbine này gồm có các bộ phận chính sau: BXCT 1 là TB thuận

nghịch có khả năng thay đổi góc nghiêng cánh theo hai chế độ bơm hoặc turbine; cơ cấu

Hình 1-15. Turbine Capxun thuận nghịch

hướng dòng (CCHD) 2 dạng hình côn thay đổi phù hợp với chế độ bơm hay turnine;

"bóng đèn" (capxun) 4 kín nước, được gắn cố định vào bêtông nhà máy nhờ các cột 3.

Bên trong cápxun 4 bố trí trục tổ máy trên ổ tựa 6 và ổ chặn 7 và "máy phát - động cơ"

8. Giếng thông 5 được dùng để đặt cáp điện, đường ống dẫn dầu ..v.v...đến động cơ trợ

động của BXCT và lên xuống gian máy phía trên. BXCT thuận nghịch có đường kính

5,35m, bốn cánh quay xung quanh bầu với các góc từ -5⁰đến +35⁰so với vị trí tính

toán. Với công suất 10 MW lưu lựơng bơm được là 105 m³/s khi H = 6m và 225 m³/s

khi H = 1m; lưu lượng lớn nhất ở chế độ turnie là 230 m³/s . Vòng quay n = 97,75 v/p,

máy phát - động cơ đồng bộ, có điện áp 3,5 kV.

16

Chương II. CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA TURBINE THUỶ LỰC

Ở chương I chúng ta nghiên cứu khái quát về các loại turbine và tính năng ứng

dụng của từng loại turbine. Chương II sẽ nghiên cứu cụ thể hơn về cấu tạo, công dụng

của các bộ phận chính của turbine và tìm hiểu các xác định kích thước của chúng. Ngoài

BXCT, các bộ phận chính của turbine gồm: thiết bị dẫn nước (buồng turbine), thiết bị

tháo nước (ống xả), phần tĩnh (stator), cơ cấu hướng dòng (CCHD) ..v.v..

.

II. 1. VÒNG BỆ, CƠ CẤU HƯỚNG DÒNG, TRỤC CỦA TB. PHẢN KÍCH

Như trên đã nói, ngoài BXCT, turbine phản kích còn có những bộ phận chính

sau đây: vòng bệ của turbine, cơ cấu hướng dòng, trục và ổ trục của turbine

II. 1. 1. Vòng bệ (Stator) của turbine:

Vòng bệ của turbine (hình 1-6 và 2-1) là phần cố định của turbine, có tác dụng

truyền xuống móng nhà máy các tải trọng gồm trọng lượng toàn bộ tổ máy, sàn và bệ

máy phát điện, áp lực nước dọc trục tác dụng lên BXCT và khối bê tông phủ lên nó

v.v... Stator bao gồm một số cột chống 2 với tiết diện ngang hình đường dòng, liên kết

với vành đỡ trên 1 và dưới 3. Có hai kiểu stator : kiểu cột đỡ riêng rẽ và kiểu vòng (a).

Phần lớn các turbine phản kích đều sử dụng kiểu vòng để tăng độ cứng, còn kiểu cột

riêng rẽ chỉ sử dụng cho buồng xoắn bê tông cốt thép, ở đó ổ chặn không lắp trên nắp

turbine. Số lượng cột stator bằng một nửa số cánh hướng nước.

Hình 2-1. Vòng bệ và CCHD của turbine

Để xác định kích thước buồng xoắn cần phải biết hình dạng và các kích thước của vòng

bệ và cánh hướng dòng.Hình 2-1,b và bảng (2-1) xác định kích thước vòng bệ (stator)

17

của turbine. Trong bảng: D_a, D_blà đường kính ngoài và trong của vòng bệ, b₀là chiêu

cao cánh hướng dòng (bảng 6-5 và 6-6 chương VI), Z₀là số lượng cánh hướng dòng.

Bảng 2-1. Bảng kích thước vòng bệ ( đơn vị cm)

D₁

D₀

Z₀

Cho buồng xoắn bê tông cốt thép

Cho buồng xoắn kim loại

D_bD_aD₄

cán D_bD_a

h

D₄

R

h₁

h₂

R

H

180 220 16

200 240 16

225 275 16

250 290 24

280 325 24

320 375 24

360 420 24

400 465 24

450 525 24

500 580 24

550 640 24

600 700 24

260 305 330 20

285 335 360 20

320 375 400 20

330 390 415 25

372 438 463 25

426 500 535 30

480 555 590 35

532 615 650 35

600 695 735 40

660 765 805 40

730 845 885 50

800 925 965 50

21

23

25

32

35

41

46

50

340 390 400 28

382 438 448 30

437 500 510 30

485 500 570 35

542 620 630 35

610 700 710 40

675 777 780 40

745 855 805 50

875 935 945 50

32

35

40

45

50

55

23

25

30

35

45

40

45

II. 1. 2. Cơ cấu hướng dòng (CCHD):

Nước lần lượt từ buồng turbine 1 chảy vòng qua các cột stator 2, chảy qua khe

hở giữa các cánh hướng dòng 3, ở đây lưu lượng được điều chỉnh do thay đổi khe hở

giữa các cánh trước khi vào BXCT 4 (hình 1-6 và 2-2,a).Cơ cấu này có tác dụng sau:

- Hình thành hướng dòng chảy nhất định ở trước BXCT;

- Điều chỉnh lưu lượng nước vào turbine, do đó thay đổi công suất của turbine.

Bộ phận CCHD gồm có hai thành phần chính: các cánh hướng dòng hình lưu tuyến và

cơ cấu quay cánh. Mỗi cánh hướng nước có thân 3 và trục cánh 5. Đầu trên trục cánh

được lồng vào các lổ khoét ở nắp TB, còn đầu dưới thì được lắp vào vành dưới, nhờ đó

các cánh có thể quay được quanh trục của nó để thay đổi độ mở a₀của CCHD. Khi cánh

hướng nước đóng hoàn toàn a₀= 0, để giảm rò nước cần có đệm chống rò bằng cao su.

Bộ phận quay cánh hướng dòng gồm có các chi tiết: nắp turbine 6 chứa ổ trục trên của

cánh, vòng dưới chứa ổ trục dưới của cánh, các cánh hướng 3 và cơ cấu tay quay 7. Độ

mở a₀dược thay đổi như nhau cho các cánh nhờ vòng điều chỉnh 8 của CCHD. Nhờ

chuyển động tịnh tiến hai cần 10 của hai động cơ tiếp lực 9 của máy điều tốc mà vòng

điều chỉnh 8 xoay, kéo theo CCHD xoay để dẫn vào BXCT lưu lượng yêu cầu.

Hình 2-2,b là sơ đồ đơn giản của CCHD dùng cho TB nhỏ trục đứng buồng hở.

Nước từ buồng hở qua khe hở giữa các cánh 2 vào BXCT 11. Điều chỉnh độ mở a₀theo

yêu cầu nhờ trục diều khiển 5 từ máy điều tốc quay kéo tay quay 6 và thanh kéo 7 làm

quay vòng điều chỉnh 8 tác thay đổi trục 4 làm cánh hướng 2 xoay quanh trục 10 của nó.

18

Hình 2-2. Bộ phận xoay CCHD

II. 1. 3. Ổ trục và trục turbine:

Trục turbine được dùng để truyền mô men xoắn từ BXCT đến rôtor máy phát

điện Trục turbine trục đứng bên trong rỗng để lắp các ống dẫn dầu (đối với cánh quay),

dẫn khí xuống BXCT để phá chân không cho turbine tâm trục và đường dây điện ..v.v...

Ổ trục định hướng để định tim trục, được bôi trơn bằng dầu hoặc bằng nước. Loại bôi

trơn bằng nước thường được lắp ở trên nắp turbine. Loại bôi trơn bằng dầu khoáng thì

tấm bạc của ổ trục làm bằng hợp kim babít.

Hình 2-3 là đồ thị xác định đường kính trục turbine. Đường kính trục phụ thuộc

vào mômen xoắn của dòng chảy M_kp= 97400.N/n ( kGcm).

Trong đó N (kW) và n (vòng/phút). Có M_kptra ra đường kích trục turbine D_B(mm).

Hình 2-3. Biểu đồ quan hệ đường kính trục và công suất turbine.

19