1. Vòng Bệ, Cơ Cấu Hướng Dòng, Trục Của Tb. Phản Kích

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)

của turbine. Trong bảng: Da, Db là đường kính ngoài và trong của vòng bệ, b0 là chiêu cao cánh hướng dòng (bảng 6-5 và 6-6 chương VI), Z0 là số lượng cánh hướng dòng.

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

D1

D0	Z0 cán h	Cho buồng xoắn bê tông cốt thép						Cho buồng xoắn kim loại
		Db	Da	D4	R	h1	h2	Db	Da	D4	R	H
180	220	16							260	305	330	20	21
200	240	16							285	335	360	20	23
225	275	16							320	375	400	20	23
250	290	24	340	390	400	28	32	23	330	390	415	25	25
280	325	24	382	438	448	30	35	25	372	438	463	25	25
320	375	24	437	500	510	30	40	30	426	500	535	30	32
360	420	24	485	500	570	35	40	30	480	555	590	35	35
400	465	24	542	620	630	35	45	35	532	615	650	35	41
450	525	24	610	700	710	40	45	45	600	695	735	40	41
500	580	24	675	777	780	40	50	40	660	765	805	40	46
550	640	24	745	855	805	50	50	40	730	845	885	50	46
600	700	24	875	935	945	50	55	45	800	925	965	50	50

Có thể bạn quan tâm!

• Tuabin thủy lực - 1
• Tuabin thủy lực - 2
• Tính Toán Buồng Xoắn Theo Phương Pháp Vtb = K
• 3. Điều Kiện Xảy Ra Khí Thực Và Hệ Số Khí Thực
• Điều Kiện Tương Tự Về Động Lực Học

Xem toàn bộ 317 trang tài liệu này.

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 a0 của 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 a0 dược 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 a0 theo 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.

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 Mkp = 97400.N/n ( kGcm).

Trong đó N (kW) và n (vòng/phút). Có Mkp tra ra đường kích trục turbine DB (mm).

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

II. 2. THIẾT BỊ DẪN NƯỚC CỦA TURBINE

Thiết bị dẫn nước (buồng turbine) là phần nối công trình dẫn nước của trạm thủy điện với turbine và hình thành lượng chảy vòng tại cửa vào CCHD. Buồng turbine cần bảo đảm những yêu cầu chính sau:

- Dẫn nước đều đặn lên chu vi các cánh hướng dòng để tạo nên dòng chảy đối xứng với trục quay của turbine.

- Tổn thất thủy lực trong buồng và đặc biệt là trong CCHD nhỏ nhất.

- Dễ nối tiếp với đường dẫn của trạm thủy điện.

- Buồng có kích thước giảm nhỏ và kết cấu đơn giản.

- Thuận tiện cho việc bố trí turbine và thiết bị phụ của nó trong gian máy của TTĐ.

- Áp lực tác dụng lên BXCT đều nhau để tránh mòn không đều ổ trục.

Dựa vào cột nước và công suất của TTĐ mà buồng turbine có các kiểu: buồng hở, buồng hình ống và buồng xoắn ốc.

II. 2. 1 Loại buồng hở của turbine

Buồng hở là loại đơn giản nhất thường dùng cho cột nước H = 5÷6 m và đường kính D1 < 1,2 m , giới hạn cột nước lớn nhất là 10 m và đường kính D1 = 1,6m. Sở dĩ có giới hạn sử dụng trên vì khi cột nước và đường kính lớn thì kích thước của buồng rất lớn, trục turbine dài và áp lực nước trên thành buồng sẽ lớn. Vì vậy loại buồng này chỉ

Hình 2-4. Buồng turbine hở

.

dùng cho turbine nhỏ. Buồng hở có thể làm bằng gỗ, gạch hoặc đá xây hay bằng bêtông Buồng hở có thể trục đứng hoặc trục ngang và hở chử nhật hoặc hở xoắn. Buồng hở chữ nhật dễ tạo nên dòng xoáy ở các góc làm tăng tổn thất cột nước. Để khắc phục nhược điểm này nên dùng buồng hở xoắn. Hình 2-4 thể hiện hình thức các loại buồng hở. Chiều dài và chiều rộng của buồng lấy theo kinh nghiệm A = B = (3- 4).D1 , độ nhúng

tối thiểu của nắp TB so với mực nước nhỏ nhất trong buồng: hmin  (0,9 -1)D1.

II. 2. 2. Buồng hình ống

Loại này thường dùng với cột nước H = 6÷7m đến 25÷30 m. Buồng này được làm bằng kim loại chứa các bộ phận của turbine (hình 2-5): chóp nón hướng dòng 4 dẫn nước vào thuận dòng, các cánh hướng dòng 1, BXCT đặt phía trong CCHD. Hình dạng của buồng giống một nồi xúpde, nửa trước 5 nối với ống áp lực 7, nửa sau 2 chứa cụm BXCT và nối với đoạn khuỷu cong 8 của ống xả 12. Trục turbine 11 ổ trục 10 đưa ra ngoài buồng và đặt nằm ngang. Loại này dùng với turbine tâm trục trục ngang, loại turbine nhỏ. Đường kính lớn nhất của buồng lấy theo đường kính tiêu chuẩ của BXCT D1, khoảng (2,8 -3,5)D1 , chiều dài buồng khoảng (2,5 - 3)D1.

Hình 2-5.Buồng turbine hình ống

II. 2. 3. Buồng xoắn ốc

Buồng xoắn (hình 2-6) là loại được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Loại buồng này bảo đảm dẫn nước vào TB với kích thước mặt bằng của turbine nhỏ và đảm bảo chế độ thủy lực tốt nhất.Phụ thuộc vào cột nước buồng xoắn có thể làm bằng bê tông hoặc kim loại. Buồng bêtông cốt thép được dùng với cột nước H  40 m, mặt cắt đa giác. Khi H > 40 m thường dùng buồng xoắn kim loại hoặc bê tông cốt thép tiết diện tròn.

Phân loại buồng xoắn

tùy thuộc vào góc bao max max của buồng xoắn , đây là góc

được tính từ tiết diện cửa ra (r = 0) đến tiết diện cửa vào của buồng xoắn (v = max). Khi max = 3450÷3600 thì gọi là góc bao hoàn toàn (hình 2-7,a), còn max < 3450 gọi là buồng xoắn không hoàn toàn ( hình 2-6,c ).

Kết quả thí nghiệm mô hình cho thấy, tổn thất năng lượng trong turbine, vòng bệ và CCHD ( khi chiều rộng gian máy đã cho ) phụ thuộc vào quan hệ giữa tiết diện cửa vào buồng xoắn đã chọn góc bao. Khi tiết diện cửa vào đã chọn, nếu tăng góc bao, một mặt sẽ làm cho dòng chảy phân bố đều chu vi CCHD, bảo đảm được dòng chảy đối xứng trong turbine, nhưng lại làm tăng vận tốc dòng nước trong phần xoắn và hình

thành dòng chảy xoáy, kết quả

làm tăng tổn

thất năng lượng trong CCHD. Qua thí

nghiệm mô hình BXCT đã chọn với các loại buồng xoắn khác nhau người ta lựa chọn loại buồng xoắn lợi nhất .

Kinh nghiệm cho thấy, chiều rộng gian máy là nhỏ nhất khi buồng xoắn có góc bao max = 180 0 .Vì vậy đối với TTĐ có cột nước thấp ( kiểu lòng sông ) để giảm thành xây dựng TTĐ nên chọn góc bao 1800÷1920. Đối với TTĐ có cột nước trung bình và cao do lưu lượng tương đối nhỏ, nêncó thể chọn góc bao lớn hơn: từ max = 2700÷3450 . Với trạm thuỷ điện đường dẫn và sau đập chọn buồng xoắn góc bao lớn sẽ tiện cho việc nối tiếp giữa đường ống áp lực với buồng xoắn.

Hình 2-6. Buồng xoắn

Khi cột nước H  80 m và góc bao max = 2700÷3450 có thể sử dụng buồng xoắn tiết diện tròn hoặc chữ T. Buồng xoắn kim loại thường có góc bao max = 3450.

Hình dạng tiết diện vào buồng xoắn: Đối với turbine dọc trục cột nước thấp và vừa thường dùng buồng xoắn có tiết diện chữ T hoặc hình thang, còn đối với TTĐ cột nước cao 50÷80 m thì tiết diện là hình tròn hoặc ellipse. Hình dạng tiết diện buồng xoắn còn phụ thuộc vào điều kiện cụ thể xây dựng nhà máy của TTĐ. Trong điều kiện góc bao như nhau, buồng có tiết diện hình thang bảo đảm kích thước mặt bằng của gian tổ máy nhỏ nhất, còn tiết diện tròn sẽ lớn nhất và tỉ số chiều cao 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 (hình 2-7) nên chọn theo cấu tạo của buồng xoắn, có thể chọn kiểu trần bằng, kiểu phát triển lên trên so với trục của CCHD kiểu phát triển xuống dưới hoặc kiểu sàn bằng. Các trị số m và n chủ yếu lựa theo yêu cầu bố trí phần dưới nước của nhà máy, nó không ảnh hưởng mấy đến điều kiện thủy lực. Khi n = 0 (tức trần bằng) hoặc m > n thì có thể giảm thể tích khối bê tông 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 CCHN chỉ nên dùng khi ở phía dưới buồng xoắn có bố trí đường hầm xả nước của TTĐ xả lũ kết hợp và nếu động cơ tiếp lực đặt ngay trên nắp turbin mà không bố trí ở hầm turbine.

Các góc  và  không nên quá nhỏ, vì nếu lấy quá nhỏ thì điều kiện thủy lực

trong buồng 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:  = 20÷350 và thường lấy 300. Nói chung, khi m  n thì  = 20÷350 còn khi m > n thì  = 10÷200; khi n = 0,  = 10÷150. Các giá trị khác kiến nghị chọn như sau: khi m = 0 hoặc n = 0, b/a = 1,5÷1,85. Khi m và n  0 thì b / a không quá 2÷2,2. Theo quan điểm thủy lực thì tiết diện chữ T đối xứng hoặc gần đối xứng có tốt hơn chút ít.

Hình 2-7. Các tiết diện chữ T của buồng xoắn bê tông.

Buồng xoắn làm nhiệm vụ dẫn nước vào BXCT và hình thành đặc tính của dòng chảy trước mép vào CCHD. Để thiết kế buồng xoắn người ta giả thiết:

- Dòng chảy trong buồng xoắn là dòng chảy dừng, đối xứng qua trục quay và là dòng



thế; lưu lượng qua tiết diện bất kỳ Q lấy theo góc  là: Q Q i ;

i i i tt 3600

- Dòng chảy được coi là tổng hợp của dòng chảy thẳng và dòng xoáy, đặc trưng bởi lưu lượng Q và lưu số  = 2 RV, giả thiết khi thay đổi chế độ làm việc thì Q và  thay

đổi sao cho các đường dòng trong buồng xoắn không đổi. Thành phần vận tốc hướng

tâm Cr

phân bố đều theo chu tuyến trước mép vào cánh hướng dòng: Cr =

Qtt

D b ;

a 0

(trong đó: Qtt là lưu lượng của turbine, Da là đường kính ngoài của cánh hướng dòng, b0 là chiều cao cánh hướng dòng).

Việc tính toán kích thước buồng xoắn tiến hành trên cơ sở turbine đã được chọn, tìm ra kích thước mặt cắt và quan hệ giữa chúng và góc. Hiện nay có những phơng pháp tính toán sau:

* Phương pháp mômen tốc độ vòng là hằng số Vu.r = K; Phương pháp này dòng chảy đối xứng qua trục, dòng có thế và bỏ qua tổn thất dòng chảy. Nó được áp dụng đối

với buồng xoắn có góc bao

max 180 3600 , vì nếu góc nhỏ hơn thì điều kiện dòng

chảy sẽ không còn đối xứng qua trục. Phương pháp này khá chính xác và thuận về toán học nên được áp dụng rộng rãi;

* Phương pháp tốc độ vòng là hằng số Vu = K; Phương pháp này giả thiết tốc độ

vòng bình quân ở các mặt cắt ngang buồng xoắn đều như nhau. Nó chưa đủ lập luận khi

thành lập vì nó có những thiếu sót sau:

+ Dòng chảy tính toán theo phương pháp này không hoàn toàn phù hợp thực tế;

+ Góc bao càng lớn thì càng không phù hợp.

Tuy nhiên qua nghiên cứu thấy đối với góc bao không đủ điều kiện xoắn thì phương pháp này phù hợp hơn phương pháp Vu.r = K. Vì vậy phương pháp này dùng tốt cho TTĐ có cột nước thấp, buồng xoắn bê tông góc bao nhỏ và giai đoạn thiết kế sơ bộ.

* Phương pháp tốc độ vòng giảm dần từ cửa vào Vu đến cửa ra từ (0,6÷0,8)Vu; Phương pháp này có nhược điểm là tính đối xứng của dòng chảy bị phá hoại, nhưng giảm nhỏ kích thước buồng xoắn. Vì vậy nó chỉ dùng với turbine cột nước thấp quá lớn.

Sau đây chúng ta nghiên cứu cách tính buồng xoắn theo hai phương pháp đầu.

1. Tính toán thuỷ lực mặt cắt buồng xoắn theo phương pháp Vu.r = K

Bước này được thực hiện sau khi đã chọn góc bao

max

và hình thức buồng

xoắn. Dựa vào nguyên tắc đã nêu ta đi thành lập công thức chung: Gọi Qtt là lưu lượng lớn nhất qua mỗi turbine;

H

V tb = k

V tb

là tốc độ trung bình trong mặt cắt buồng xoắn, xác định theo:

( H = 2m thì k = 1; H = 300m thì k = 0,5) hoặc theo đồ thị (hình 2-9,a).

Với yêu cầu lưu lượng phân bố đều chu vi cơ cấu hướng dòng, vì vậy nếu gọi i là góc

tt 0

i

nào đó ứng với tiết diện cần tìm thì lưu lượng qua nó là Qi

Q , diện tích mặt

360

cắt tương ứng là Fi 

Qi

Vtb

Qtt .i

360. Vtb

; tương tự với max ta có:

Fmax

Q .

tt max .

360 Vtb

Nếu cắt một dãi bất kỳ có bề rộng dr, chiều đứng b thì diện tích phân tố dF = b.dr, vậy: