3. Điều Kiện Xảy Ra Khí Thực Và Hệ Số Khí Thực

Sau đây chúng ta xem xét một số loại ống xả thường gặp hơn cả trong thực tế.

II. 3. 1. Ống xả hình nón cụt

Xét về mặt thủy lực ống xả hình nón cụt là loại ống xả tốt hơn cả so với các loại ống xả kể trên và nó cũng là loại có cấu tạo đơn giản. Tuy nhiên nó chỉ được dùng trong turbine phản kích trục đứng cở nhỏ và trung bình và turbine dòng. Nó thuộc loại ống mở rộng dạng chóp cụt với góc loe  (hình 2-14,a). Loại ống này có tổn thất thủy lực nhỏ nhất nên hiệu suất cao, có thể đạt tới 85%. Tổn thất thủy lực tùy thuộc vào góc loe  và tỷ số giữa chiều dài L và đường kính cửa vào D3 của ống xả. Thí nghiệm mô hình

cho kết quả rằng góc loe  = (1014)0 và L/D3 = (34) thì hiệu suất ống xả đạt từ

6085%. Việc giữ góc loe trong phạm vi có lợi nhưng lại kéo dài L để giảm V5 sẽ tăng khối xây lắp phần dưới nước của nhà máy. Do vậy việc chọn kích thước ống xả cần phải xem xét cả về mặt hiệu suất lẫn khối lượng đào và xây lắp phần dưới nước của nhà máy. Việc quyết định kích thước kênh xả hạ lưu còn cần phải đảm bảo đủ kích thước để dễ thoát nước từ ống xả về hạ lưu. Các kích thước sau đây (hình 2-14,c) tối thiểu phải bằng:

h = yD5; b = xD5 ; c = 0,85b

Để tránh không khí chui vào ống làm mất tác dụng hút của ống xả, cần bảo đảm mép dưới ống hút ngập sâu cách mặt nước hạ lưu trong hầm xả ít nhất từ 0,30,5 m. Để giảm chiều sâu đào phần dưới nước, người ta cải tiến ống xả nón cụt bằng việc tạo phần

Hình 2-14. Ống xả hình nón cụt.

loa kèn đoạn dưới của ống xả (hình 2-14,b). Tuy nhiên loại này do mở rộng cửa ra đột ngột nên hiệu suất thấp hơn và phức tạp hơn nên ít sử dụng.

II. 3. 2. Ống xả hình cong:

Ống xả hình cong (hình 2-15) gồm ba đoạn: đoạn nón cụt A đứng, đoạn khuỷu cong phức tạp B và đoạn mở rộng nằm ngang C.

Đoạn nón cụt : quá trình biến đổi động năng dòng nước thành áp năng chủ yếu xảy ra ở đoạn này của ống xả. Đo đó việc chọn chính xác kích thước đoạn nón này có ý nghĩa rất lớn đối với đặc tính năng lượng của TB nhất là đối với TB có tỷ tốc lớn. Cũng

như ống xả nón cụt, tổn thất năng lượng trong đoạn ống này phụ thuộc vào góc loe và

độ cao tương đối h / D3 và độ mở rộng của đoạn ống này.

Đoạn cong: là đoạn nối tiếp giữa đoạn nón cụt và đoạn mở rộng nằm ngang có cấu tạo và kích thước biến đổi phức tạp: tiết diện vào của đoạn khuỷu có dạng hình tròn, sau đó biến đổi dần sang tiết diện hình chữ nhật tại cửa ra của nó với góc quay 900.

Trị số tổn thất năng lượng trong khuỷu không lớn hơn so với tổn thất trong nón cụt và trong đoạn nằm ngang. Tổn thất ở đây phụ thuộc vào sự phân bố dòng chảy ở tiết diện vào của khuỷu và hình dạng của nó. Lực li tâm sinh ra khi dòng nước chảy vòng trong đoạn khuỷu sẽ gây nên sự tách dòng và tăng thêm tổn thất. Bán kính chuyển động xoay của dòng nước càng lớn thì lực li tâm và građiên áp lực trong dòng chảy càng nhỏ. Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến tổn thất năng lượng trong đoạn khuỷu là tỷ số giữa diện tích cửa ra và diện tích cửa vào của đoạn này và sự thay đổi diện tích tiết diện men theo chiều dài của nó. Ở Liên xô cũ người ta đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm với 3 dạng khuỷu khác nhau sau đây: khuỷu có diện tích tiết diện ngang tăng dần; khuỷu có diện tích tiết diện không đổi và khuỷu có diện tích tiết diện tăng dần rồi đến đoạn nằm ngang gần tiếp giáp với đoạn mở rộng nằm ngang thì giảm dần. Kết quả cho thấy loại khuỷu sau cùng tốt hơn hai loại trên.

Hình 2-15. Ống xả hình cong.

Đoạn mở rộng nằm ngang: Ở đoạn này, ống xả vẫn còn tiếp tục biến đổi động năng thành áp năng, nhưng tác dụng phục hồi năng lượng ở đây nhỏ hơn ở đoạn nón cụt. Tiết diện ngang của đoạn mở rộng có dạng hình chữ nhật. Sự mở rộng dòng chảy ở đoạn này được thực hiện nhờ biện pháp nâng cao dần trần của nó theo góc nghiêng  từ 10 130 còn chiều rộng B5 không thay đổi.

Đối với ống hút dạng cong, trong thiết kế sơ bộ dựa vào hệ số tỷ tốc và kiểu turbine ta có thể tra ra loại ống xả (bảng 2-6, hình 2-15)

Bảng 2-6. Kích thước chính của ống xả cong ( đơn vị ghi: m )

Kiểu

Kích thước tính với đường kính BXCT D1 = 1m									Sử dụng
D1	h	L	B5	D4	h4	h0	L1	h5
4A	1,0	1,915	3,50	2,20	1,10	1,10	0,55	1,417	1,00	(a)
4C	1,0	2,30	4,50	2,38	1,17	1,17	0,584	1,50	1,20	(b)
4E	1,0	2,50	4,50	2,50	1,23	1,23	0,617	1,59	1,20	(c)
4H	1,0	2,50	4,50	2,74	1,352	1,352	0,67	1,75	1,31	(d)
4H1	1,0	2,7	4,50	2,74	1,352	1,352	0,67	1,75	1,31	(e)
20	1,0	2,3	3,50	2,17	1,04	1,04	0,51	1,41	0,937	(g)

Có thể bạn quan tâm!

• Tuabin thủy lực - 2
• 1. Vòng Bệ, Cơ Cấu Hướng Dòng, Trục Của Tb. Phản Kích
• Tính Toán Buồng Xoắn Theo Phương Pháp Vtb = K
• Điều Kiện Tương Tự Về Động Lực Học
• Tuabin thủy lực - 7
• Đường Đặc Tính Tổng Hợp Vận Hành Của Nhóm Tổ Máy

Xem toàn bộ 317 trang tài liệu này.

Ghi chú:

- Bảng 2-6 ghi kích thước của ống xả có đường kính BXCT D1 = 1m, kích thước ống xả của turbine có đường kính D1  1m sẽ bằng kích thước trong bảng nhân với D1;

- Phạm vi sử dụng ứng với kí hiệu trong bảng 2-6:

(a): cho các kiểu turbine: CQ30, CQ40, (CQ577, CQ587 hệ cũ có tỷ tốc thấp); (b): cho các kiểu turbine: CQ20, CQ30, (CQ577, CQ510 hệ cũ có tỷ tốc trung

bình);

(c): cho các kiểu turbine: CQ10, CQ15, (TT82, TT638 hệ cũ nếu h = 2,3D1 và CQ510, CQ592 hệ cũ có tỷ tốc trung bình và cao);

(d): cho các kiểu turbine: TT15, TT75, TT115, TT170, (TT638, TT82, TT211,

TT123 hệ cũ có tỷ tốc trung bình và cao);

(e): cho các kiểu turbine: CQ10, (CQ510 hệ cũ có tỷ tốc cao);

(g): cho các kiểu turbine: cho các kiểu turbine: TT230, TT300, TT400, TT500, (TT533, TT246 hệ cũ có tỷ tốc thấp).

II. 4. 3. Ống xả khuỷu

Turbine nhỏ trục ngang thường dùng ống xả khuỷu cong. Dòng nước sau khi ra khỏi BXCT có phương song song với trục TB và đi vào phần trên của khuỷu. Sau đó dòng nước lại đi vào phần dưới của khuỷu cong 1 và bị đổi hướng từ ngang sang đoạn côn thẳng đứng 2 hoặc xiên góc với phương thẳng đứng ( hình 2-139,11 và 2-16):

Ống xả khuỷu cong (hình 2-17) gồm đoạn khuỷu cong 2 nối với buồng hình ống 1 và đoạn hình nón cụt thẳng đứng 5. Do đổi hướng dòng chảy gần 90 độ khi qua nó, và trường hợp nếu có trục xuyên qua khuỷu thì dòng chảy còn bị khuấy ... do vậy loại này tổn thất thuỷ lực lớn dẫn đến hiệu suất ống xả giảm thấp xuống còn 40 - 45%.Vì vậy loại ống xả khuỷu dùng cho tổ máy trục ngang thuỷ điện nhỏ.

Đối với turbine nhỏ nón cut trục đứng và ống hút trục ngang dựa vào tài liệu chế tạo cho sẵn trong khối turbine, do vậy có thể tra theo turbine cụ thể.

Hình 2-16. Ống xả khuỷu.

Chương III. HIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC TRONG TURBINE THỦY LỰC

III.1. HIỆN TƯỢNG KHÍ THỰC VÀ TÁC HẠI CỦA NÓ

Khí thực là một hiện tượng vật lý phức tạp trong dòng chảy khi qua turbine. Khí thực phá hoại bề mặt các cánh BXCT và các bộ phận qua nước khác của TB. Khi xảy ra khí thực sẽ có tiếng động, các bộ phận TB sẽ bị rung động mạnh, hiệu suất, khả năng thoát nước và công suất của TB sẽ bị giảm đột ngột.

Một trong những nguyên nhân chính để xuất hiện khí thực là mạch động mạnh của áp động lực ở những vị trí dòng chảy tại những vùng có chân không xuất hiện. Nếu trong một khu vực nào đó của dòng chảy, áp lực lực giảm xuống đến áp lực hóa hơi (phh) thì tại đó nước sẽ bốc hơi và hình thành các bọt khí, trong đó chứa đầy không khí và hơi nước. Các bọt đó bị cuốn vào vùng có áp lực cao hơn áp lực hóa hơi, ở đó hơi nước bị ngưng tụ đột ngột với thể tích bé hơn rất nhiều lần so với thể tích của bọt khí. Vì vậy các phần tử nước ở xung quanh lập tức tràn vào lấp chỗ trống với vận tốc cực lớn. Tại trung tâm của các bọt khí, các phần tử đó gặp nhau và đột ngột dừng lại, làm áp lực đột biến tăng lên đến hàng trăm, hàng nghìn át mốt phe. Sau đó, vì va chạm mạnh ở trung tâm các bọt khí, các phần tử đó lại bắn trở ra làm cho áp lực ở trung tâm bọt khí cũ lại giảm xuống. Như vậy, áp lực tại điểm đó lại bị giao động theo thời gian và bị cộng hưởng và khi đó áp lực có thể đạt đến một trị số rất lớn: 1500 át mốt phe. Nếu các bọt khí xuất hiện gần bề mặt kim loại và bê tông tiếp xúc với dòng nước thì sẽ làm phá hoại các bề mặt đó như bị các viên đạn sắc nhọn bắn vào. Nếu các bọt khí không bị phá vỡ ở các bề mặt của phần dẫn dòng thì do có chấn động mạnh, và nước sẽ chuyển các chấn động đó đến các bề mặt của phần dẫn dòng cũng sẽ bị phá họai. Ngoài ra khi có khí thực còn thấy xuất hiện hiện tượng điện phân do chênh lệch nhiệt độ và các phản ứng hóa học làm cho kim loại nhanh chóng bị oxy hóa,bởi ôxy có rất nhiều trong các bọt khí.

Trong turbine phản kích tại mép ra và bên dưới mặt cánhTB, tại buồng BXCT của TB cánh quay, vành BXCT turbine tâm trục là nơi có vận tốc lớn và áp lực bé nên thường xảy ra khí thực và bị khí thực phá hoại. Ở TB xung kích gáo, khí thực thường xảy ra ở vòi phun, nơi có vận tốc lớn và áp lực bé.

III. 2. NHỮNG BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG KHÍ THỰC

Khí thực xuất hiện cùng với việc tăng vận tốc của dòng chảy, đầu tiên chỉ chiếm một vùng nhỏ, sau đó phát triễn thành vùng lớn hơn. Trong turbine không cho phép khí thực phát triên nhanh, bởi lẽ khi đó hiệu suất turbine giảm nhanh chóng, tổ máy bị rung động mạnh có thể bị cộng hưởng làm phá hoại, các chi tiết của turbine ở vùng xảy ra khí thực sẽ bị phá hoại. Cho nên từ khâu thiết kế đến việc lựa chọn turbine, bố trí lắp đặt và cuối cùng là vận hành turbine cần xem xét kỹ vấn đề này:

- Trong việc thiết kế turbine: Các chi tiết làm việc ở vùng dễ xảy ra khí thực nên làm bằng kim loại có tính chống khí thực cao. Ví dụ thép không rỉ có hàm lượng crôm chím từ 1214%. Ngoài ra, bề mặt các chi tiết đó cần chế tạo nhẵn để hạn chế bớt sự xuất hiện của khí thực. Mặt khác, để tăng đặc tính tốt về chống khí thực thì phải tăng số lượng cánh hay tăng tỷ số giữa bề dài và bước của cánh, nghĩa là tăng diện tích mặt cánh.

- Về mặt thiết kế công trình: Chọn loại BXCT cũng như chọn chiều cao hút nước Hs phải đảm bảo turbine vận hành không xảy ra khí thực trong mọi chế độ làm việc. Tuy

nhiên trong thực tế yêu cầu turbine làm việc hoàn toàn không có khí thực thường không kinh tế vì phải đặt turbine sâu nên làm tăng khối lượng phần dưới nước của nhà máy khá nhiều. Vì vậy nhà máy chế tạo turbine thường cho thêm một chiều dày kim loại dự trữ cho những bộ phận dẫn dòng của turbine có thể bị phá hoại do khí thực gây ra. Những bộ phận có thể thay thế bằng cách hàn tại chỗ mà không tháo turbine để sửa chữa thì mới cho phép bị phá hoại do khí thực.

- Về mặt vận hành: nếu phát hiện khí thực như giảm hiệu suất đột ngột, tổ máy bị rung động mạnh thì cần tìm biện pháp khắc phục. Một trong những biện pháp có hiệu quả là mở van phá chân không để đưa không khí có áp lực bằng hoặc cao hơn áp lực không khí bên ngoài vào vùng ngay dưới BXCT càng gần trục turbine càng tốt. Một biện pháp khác để khắc phục khí thực là làm tăng tổn thất thủy lực ống xả. Biện pháp này tuy có làm giảm hiệu suất turbine tuy vậy nhưng lại tăng an toàn của turbine.

Tóm lại để khắc phục hiện tượng khí thực phải có sự phối hợp tất cả các biện pháp trong chế tạo turbine, trong thiết kế lựa chọn và trong vận hành turbine.

III. 3. ĐIỀU KIỆN XẢY RA KHÍ THỰC VÀ HỆ SỐ KHÍ THỰC

Để thiết lập phương trình biểu thị điều kiện xảy ra khí thực trong vùng BXCT của turbine ta giả thiết có mặt cắt x - x (hình 3-1) nào đó, gần mếp ra 2 - 2, có xảy ra áp suất thấp. Xét một dòng nguyên tố qua turbinr và viết phương trình Becnulli cho hai mặt cắt x - x và 2 - 2:

p W2 U2 p W2 U2

Zx xxxZ2 222hx2

2g 2g 2g 2g

Viết phương trình Becnulli cho mặt cắt 2-2 và 5-5:

pC2

2 

pC2



Z2 2

5 2

Z2

h25

2g 2g

chú ý rằng

p

5

5 Z



a B (áp suất khí trời).

p



Trong ba công thức trên: hX-2 và h2-5 là tổn thất cột nước tương ứng x - x đến 2 - 2 và 2 - 2 đến 5 - 5. Lấy phương trình thứ hai trừ phương trình thứ nhất

Hình 3-1. ta được:

pa px



⎛⎜V 2 V 2 W 2 U 2 W 2 U 2

⎞

h x 5 ⎟⎟, (3-1)

Zx ⎜2 2 2 2 2 2

⎝2 g ⎠

Trong công thức (3-1) gọi: Zx là "độ chân không tĩnh " hay " độ cao hút nước" và ký hiệu là HS = Zx ; phần trong hai dấu ngoặc là " độ chân không động". Gọi hệ số khí thực  là tỷ số giữa độ chân không động và cột nước H, vậy:

⎛V V W U W U⎜

2 2 2 2 2 2

2 2 2 2 2 2

⎜

⎞

⎟

hx 5 ⎟

H (3-2)

⎝2 g ⎠

Thay (3-2) vào (3-1) và ta có:

px pa H

H

và điều kiện để không phát sinh khí thực tại x - x là:

s

px pa H H p ; rút ra 

pa H phh = H

H H ;

s hh

s 

a s hh

Từ điều kiện chuẩn nhiệt độ bình thường (150 - 300) thì áp suất hoá hơi khoảng

(0,18÷0,43m cột nước), lấy

phh = 0,33m, áp suất khí trời là Ha = 10,33m cột nước, mực

nước  = 0 thay vào công thức trên ta có điều kiện để độ cao hút nước HS không sinh khí thực là:

HS  10,33 - 0,33 - H = 10 - H = [ HS] (3-3)

Áp dụng cho thực tê: khi cao trình đặt turbine là  > 0 thì độ giảm áp suất tương ứng



sẽ là có:

900

, mặt khác để tăng tính an toàn ta nhân thêm vào H một lượng ( +)H, ta



HS  [ HS] = 10 -

hoặc: HS  [ HS] = 10 -

900



900

- ( +)H (3-4)

- k H (3-5)

 tra theo biểu đồ (hình 3-2); Hệ số k lấy k = 1,05 - 1,1.

Hình 3-2. Quan hệ  = f(H).

III. 4. XÁC ĐỊNH CAO TRÌNH ĐẶT TURBINE

Ở trên đã trình bày nguyên nhân và điều kiện xảy ra hiện tượng khí thực. Một trong những điều kiện để không phát sinh khí thực trong turbine là cao trình đặt turbine phải đảm bảo HS  [ HS]. Tuy nhiên việc chọn điểm x là điểm giả thiết có áp lực nhỏ nhất thường không thể xác định chính xác được, nên thường quy định vị trí của nó là nơi có thể xảy ra áp suất nhỏ nhất và tại đó có tính đến một đại lượng dự trữ an toàn để không xảy ra xâm thực ở chế độ thiết kế. Đối với mỗi loại turbine thì chiều cao hút nước quy ươc HS cũng khác nhau (hình 3-3) như sau:

- Turbine hướng trục và hướng chéo trục đứng thì HS lấy từ tâm trục cánh đến mực nước hạ lưu (hình 3-3,c), còn cao trình đặt turbine lm lấy ở cao trình qua giữa CCHD;

- Turbine tâm trục trục đứng thì HS lấy từ mép dưới cánh hướng dòng đến mực nước hạ lưu (hình 3-3,a), còn cao trình đặt turbine lm lấy ở cao trình qua giữa CCHD;

- Turbine trục ngang, HS là khoảng cách từ điểm cao nhất của ống hút tới mực nước hạ lưu (hình 3-3,b), còn cao trình đặt turbine lm lấy ở cao trình qua tim trục turbine.

Hình 3-3. Quy định chiều cao hút nước và cao trình đặt turbine.

Cao trình đặt turbine (lm) được quy định như ở trên, có liên quan đến độ cao hút nước; để không phát sinh khí thực thì độ cao hút nước HS phải lấy nhỏ hơn độ cao hút cho phép [ HS] theo công thức (3-4) hoặc (3-5). Như vậy cao trình lm đặt càng sâu càng an toàn về khí thực, tuy nhiên khối lượng phần dưới nước của nhà máy sẽ càng lớn. Vì vậy chọn lm sao cho vừa an toàn về khí thực vừa đảm bảo khối lượng công trình.

Cao trình lắp turbine được tính cho các loại turbine như sau:

- Đối với turbine tâm trục trục đứng (hình 3-3,a):

Z H bo

(3-6)

lm hl s 2

- Đối với turbine hướng trục trục đứng (hình 3-3,c):

lm Zhl Hs x D1 (3-7)

Với x = 0,41÷0,46

- Đối với turbine trục ngang (hình 3-3,b):

lm

 Zhl

 Hs

 D1

2

(3-8)

Trong các công thức trên, khi cột nước H và lưu lượng Q phát điện thay đổi thì mực nước hạ lưu Zhl và độ cao hút nước HS cũng thay đổi. Trong thực tế dựa vào điều kiện thiết kế để chọn cao trình đặt máy: Dùng cột nước thiết kế (HTK) để tính ra [HS], thường dùng lưu lượng của một turbineđể tính mực nước hạ lưu Zhl, cao trình  thực

chất là cao trình đặt turbine ta chưa biết, tuy vậy do tỷ số 

900

quá bé, sai số không

đáng kể do vậy có thể lấy áng chừng cao trình dự định đặt turbine (thường có thể lấy bằng cao trình mực nước thấp ở hạ lưu).

Để tính cao trình đặt máy đúng hơn, có thể cho các H, Q thay đổi rồi tính ra các trị số lm , sau đó vẽ đường tần suất lm ~ p%, dựa vào tần suất thiết kế của trạm tra ra được lm rồi phân tích để chọn kết quả thoả đáng.