Ebook Máy thủy lực – Tua bin nước và máy bơm: Phần 1

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.31 MB, 20 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

3 0 00 00 38 68

G ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

H DŨNG - HOÀNG VĂN TẦN 
I - NGUYỄN THƯỢNG BANG

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

HỒNG ĐÌNH DŨNG - HOÀNG VĂN TẦN 
VŨ HỮU HẢI - NGUYỄN THƯỢNG BANG

Náy thnỷlực

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

LỜI NÓI ĐẦU

Máy thuỷ lực là môn học quan trọng đối với sinh viên ngành thuỷ lợi Ví) năng

lượng, nhằm trưng hi những kiến thức cần thiết vê thiết hi d ế sử dụng trong thiết k ế
vù vụn hành nhủ máy thirị diện,trạm bơm Ví) trong thi cơng cơng trình tlìiíỷ (hạ

mực nước ngầm, hút nước h ố móng...).

Về nội dưng giáo trình hao gồm hai phần: tuưhin nước và máy bơm, trình bày
nguyên lý lủm việc, kết d íu thiết bị, đặc tính thiết bị, cách lựa chọn sử dụng, lắj)
đặt, vận hành thiết bị. Đê thuận tiện cho sinh viên, trong giáo trình có các ví dụ
tính tốn, có các câu hỏi Ví) bài tập ở cuối mỗi chương.

Giáo trình dược biên soạn trên co' sở tài liệu giảng dạy nhiêu nủm ở trường Đại
học Xây dựng Hà nôi. Những người tham gia biên soạn giáo trình gồm : TS H oàng
Văn Tần (chương 3 phần tuabin), TS Vũ Hữu Hải (chương 2 phần máy bom và phụ
lục máy bơm), Thạc s ĩ Nguyễn Thượng Bằng (chương 3 phần máy bơm), PGS, TS
Hmg ĐỉnÌ! Dũng (chủ biên, viết các chương cịn lụi Ví ) phụ lục tuabin). GS, TSKH

Trịnh Trọng Hàn d ã đọc kỹ toàn bộ bản thào và dóng góp nhiều V kiến quan
trọng.

Nhóm tác giả chân thành cảm ơn sự giúp dỡ Ví ) góp ý của TS Huỳnh Bí) K ỹ

Thuật (Trưởng hộ môn XDCTTL), GS, TSKH Trịnh Trọng Hùn, K ỹ sư cao cấp Trcí/I
Xn T (Cơng ty Tư vấn Xúy dựng Điện ì ) và các dồng nghiệp.

Tin liệu này nhằm phục vụ cho việc học tập cùa sinh viên, song cũng có th ể
dùng làm tài liệu tham khảo cho cán bộ kỹ thuật trong ngành thuỷ lợi, thuỷ diện.
Đây lừ lần xuất bản đàu tiên giáo trình ‘M á y thuỷ 'íực"nên khơng thê tránh khỏi
sai sót, mong nhận được sự góp ỷ chân thành của các bạn dọc đê’lần tái bàn được
tốt hơn.

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

Phần I

T U A B I N N Ư Ớ C

Chương 1

KHÁI NIỆM CHƯNG

1.1. MÁY THỦY LỤC

Máy thuỷ lực là danh từ chung chí các thiết bị dùng đê chuyển hoá năng lượng chất lỏng
thành cơ năng cơ cấu làm việc cúa máy (bánh xe công tác, pittơng...) hay ngược lại.

Tuabiìì nước là một loại máy thuỷ lực, biến năng lượng của chất lỏng (ở đây là nước)
thành cơ năng trên trục quay của tuabin để quay máy phát điện hay các máy công cụ khác.

Máy bơm cũng là một loại máy thuỷ lực, nó chuyển hố cơ năng trên trục quay thành cơ
năng của chất lỏng (ở dạng thế năng, động năng...) dể di chuyển chất lỏng từ chỗ thấp lên
chỗ cao hay từ nơi này đến nơi khác.

Nguyên tắc làm việc của tuabin nước và máy bơm hoàn toàn trái ngược nhau (hình 1-1).
Tuabin nước được lắp đặt tại nhà máy thủy điện 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. Máy bơm được lắp đặt ở trạm bơm.
Ở trạm bơm điện, động cơ điện lấy điện từ lưới điện để quay máy bơm đưa nước từ bể hút
qua máy bơm đi lên ống đẩy.

H ệ th ố n g điện

Hình 1-1: Sơ đồ lìiỊỉivèn lý ( lia tiiabin nước và máy bơm .

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

Thiết hị truyền động thuỷ lực là thiết bị lấy chất lỏng làm môi giới để truyền cơ năng từ
bộ phận này sang bộ phận khác, như xilanh thuỷ lực trong m áy nâng thuỷ lực, khớp nối trục
thuỷ lực...

Chán vịt của tàu thuỷ, ca nơ...thì biến mô men quay của trục chân vịt thành lực tác dụng
lên nước, tạo ra một phản lực của nước tác dụng ngược lại lên chân vịt làm cho tàu thuỷ, ca
nô chuyển động.

Trong phạm vi giáo trình này chỉ đi sâu vào hai loại m áy thuỷ lực được sử dụng ở nhà
máy thuỷ điện và trạm bơm, đó là tuabin nước và máy bơm.

1.2. CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA TU AB IN NƯỚC

Các thơng số chính của tuabin nước là lưu lượng nước qua tuabin, cột nước làm việc,

công suất và hiệu suất của tuabin.

ỉ . C ột nước làm việc của tuahin.

Hình 1-2 là sơ đồ lắp đặt tuabin ở nhà máy thuỷ điện (NMTĐ).

Đ ộ chênh mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu gọi là cột nước tình của trạm thuỷ điện
(TTĐ), ký hiệu H r

C ột nước làm việc của tuahin H là hiệu năng lượng đơn vị của dòng nước đi qua tuabin
tại mặt cắt vào (E,) và tại mặt cắt ra (Et) của tuabin:

H = E ,-Et = ( Z i + ^ + ^ ỉ ) - ( Z 2 + ^ + ^ ỉ )

Y 2g y 2g

= (Z 1 + B r + ^ i ) - ( z l + i i +

Y 2g H , ^ + ^ i - A h 2)Y 2g
. H , - h 11+^ - a ^ + Ah2

2g (

1

-

1

)

Với : hIt - tổn thất cột nước trên đường dẫn;

Àh2 - chênh lệch áp suất giữa m ặt cắt ra của tuabin với hạ lưu;

Ht - cột nước tĩnh của TTĐ, đó là độ chênh mực nước giữa thượng và hạ lưu
Do V, Ä v 2 nên

H « Ht - h„ (1-2)

V í dụ: Ht =18m, v0= 0,2 m/s, V, = 1,6 m/s,v2= 2,8 m/s, htl = 0,6 m, Ah2 = 0,16 m, a , * a 2
~ 1> nếu tính gần đúng theo (1-2) thì ta được H « 18m - 0,6m = 17,4m, cịn tính tốn chính
xác theo (1-1) thì ta được H = 18 - 0,6 + 0,22/19,6 - 2,82/19,6 + 0,16 = 17,16m. N hư vậy ở
đây sai số là (17,4-17,16)/17,16 « 1,5%.

2. Lưu lượng tuahin là chỉ lưu lượng dòng chảy đi qua tuabin , kỷhiệu là ọ , đơn vị mVs.
3. Nếu gọi N ilr lù cơng suất của dịng nước, tính bằng ỵ ỌH, cịn N r là cơng suất trên

trục tuabin, thì tý sô —— goi là hiên suất tuahin, ký hiên riT
N dc

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

N

=9,81QH77

(1-3)

Tuabin nước thường được nối với máy phát điện. Máy phát điện nối với tuabin nước gọi
là máy phút điện tỉmỷ lực, khối máy bao gồm tuabin nước ghép với máy phát điện gọi là tổ
mây thuỷ lực, thường gọi tắt là tổ máy. Hình 1-3 là kết cấu tổ máy thuỷ điện lớn đặt đứng.

Hình 1-2: Sơ dồ tnahin lấp dặt ỏ NMTĐ.

Hình 1-3: Kết cấu tơ rná\ dặt dứng với tuabin cánh CỊÌIUV.

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

1.3. CÁC LOẠI TUABÍN NƯỚC HIỆN ĐẠI
1.3.1. Các dạng tác động của dòng nước

Theo định luật Becnuly thì năng lượng của m ột đơn vị chất lỏng tại m ột tiết diện nào đó
được xác định theo phương trình:

É = z + — + — ( 1 - 4 )

Y 2g

Từ phương trình trên ta thấy năng lượng của một đơn vị chất lỏng gồm có ba thành phần
khác nhau: vi năng z , áp năng — và đông năng — , trong đó vi năng và áp năng là hai dang

Y 2g

của thế năng. Do đó, năng lượng của dịng nước gồm có hai dạng: thế năng và động năng.
Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng nào của dòng chảy tác động vào bánh xe công tác
(BXCT) tuabin là chủ yếu m à có thể chia tác động của dịng nước thành hai dạng:

- Tác động phản kích (do thành phần thế năng tác động là chủ yếu);
- Tác động xung kích (do thành phần động năng tác động là chủ yếu);

Năng lượng E|„, do dòng chảy trao cho tuabin có thể xác định bằng hiệu năng lượng đơn
vị của dòng chảy trước khi vào BXCT (điểm 1 trên hình 1-2) và sau khi ra khỏi BXCT
(điểm 2 trên hình 1-2) :

E,_, = ( Z , + ^ - + Ì ) - ( Z 2 + ^ + ^ Ì )

Y 2g Y 2g

E , 2 = {(Zi + P Ị ) - ( Z 2 + ^ ) } + (1 -5 )

Y Y 2g

= Phần nàng lượng phản kích + Phần năng lượng xung kích

Hiệu số (Z , + — ) - ( Z 2 + — ) càng lớn thỉ phần năng lượng phản tích (phần thế năng)

Y Y

tác động lên BXCT càng nhiều. Trường hợp BXCT chỉ chuyên hoá phần động năng, tức là
khi z , + - L = z 2 + — , thì loại tuabin đó là loại xung kích hồn tồn; cịn khi chí sử dung

Y Y

~> 2

phần thế năng, tức là khi ~ thì tuabin đó là loai phản kích hoàn toàn.
2g 2g

1.3.2. Phân ỉoại tuabin và phạm vi sử dụng

</div>
(8)<div class='page_container' data-page=8>

Tuỳ theo kiểu tác động của dòng nước và BXCT mà chia tuabin thành hai loại chính: tuabin
phản kích và tuabin xung kích. Loại tuabin lại được chia làm nhiều hệ khác nhau. Trong mỗi hệ
lại chia làm nhiều kiểu tuabin theo mẫu BXCT và các cỡ (kích thước) khác nhau.

a ) Loại tuabiii phản kích có các hệ:

- Tuabin chong chóng (cịn gọi tuahin Propeller) dùng ở TTĐ cột nước thấp H = 2-r 70m.
- Tuabin cánh quay (còn gọi tuabin Kaplan) thường gặp ở các TTO vừa và lớn với cột
nước thấp và trung bình. Mẫu tuabin này do kỹ sư Vikto Kaplan người Tiệp Khắc để xuất
(1913). Cột nước làm việc của tuabin H = 2 -4-90m. Đường kính BXCT lớn nhất hiện nay là
10,5m. TTĐ Djerda-Cửa sắt trên sông Đanuyp lắp tuabin cánh quay có đường kính BXCT
tuabin Di = 9,5m, công suất tổ máy NT= 178Mw, H = 17,5-f35,5m do Liên bang Nga chế
tạo. Tuabin cánh quay lắp đặt ở TTĐ Gezhouba trên sông Trường giang (do hãng Harbin
Trung quốc chế tạo) có D, = 10,2m, cơng suất tổ máy Nx= 127,9Mw, H = 10,6-^27m.

Hai hệ tuabin nói trên có dịng chảy qua BXCT song song với trục quay nên còn gọi là
tuabin hướng trục.

- Tuabin tâm trục (còn gọi là tuabin Francis) thường gặp ở các TTĐ có cột nước trung
bình và tương đối cao. Đề xuất mẫu tuabin này là kỹ sư Francis người Mỹ (1855). Tuabin
tâm trục được sử dụng ở cột nước H = 40^-700m với tua bin lớn hay H = 2-f-200m với tua
bin nhỏ. Đường kính BXCT lớn nhất là ở TTĐ Grend Culi (Mỹ) có D, = 9,5m, công suất tố
máy Nt = 700Mw, h = 87m.

- Tuabin chéo trục là loại tuabin xuất hiện trong thời gian gần đây, đặc điểm của nó là
cánh BXCT đặt nghiêng với trục quay một góc 45°H-60°. Phạm vi cột nước H = 40^-200m .
Đường kính BXCT lớn nhất là ở TTĐ Zeya (Nga) lắp tuabin chéo trục Dị = 6m, công suất
tổ máv Nt = 215 Mw, H tt= 78.5m.

b) Loại tuabin .xung kích có các hệ:

- Tuabin gáo (còn gọi tuabin Pel ton) do kỹ sư người Mỹ Pelt on để xuất (1870) . Tuabin
gáo thường dừng ở TTĐ cột nước cao, với H = 300 -f 2000m ở thuỷ điện lớn và 40 -f- 250m ở
thuỷ điện nhỏ. Cột nước cao nhất hiện nay là ở TTĐ-S. Fiorano công suất tổ máy NT= 140 MW,
H„ - 1404m .

- Tuabin xung kích hai lần (cịn gọi tuabin Banki) do kỹ sư người Hungari đề xuất.
Tuabin Banki thường gặp ở thuỷ điện nhỏ. Cột nước sử dụng H = 6 -r 150m.

- Tuabin tia nghiêng (còn gọi tuabin Turgo), chỉ gặp ở thuỷ điện nhỏ với H = 30^-400m.
Ngoài ra, cịn có một số hệ tuabin phản kích khác như tuabin dòng chảy thẳng vả nửa
thẳng (tuabin Cap.xun), thường gặp ở nhà máy điện thủy triều, hay tuabin- bơm (máy thuỷ
lực thuận nghịch) ở nhà máy thuỷ điện tích năng.

1.4. KẾT CẤU MỘT SỐ HỆ LOẠI TUA BIN NƯỚC THƯỜNG GẶP
1.4.1. Tuabin chong chóng (hình 1-4)

</div>
(9)<div class='page_container' data-page=9>

đứng hoặc đặt nằm). Trên hình 1-4 là kết cấu tuabin chong chóng đặt đứng. Tuabin chong
chóng gồm các bộ phận:

• Bánh xe cơng túc tuabin (BXCT) gồm có bầu và các cánh BXCT gắn cố định trên bầu.
Số lượng cánh BXCT từ 2 đến 9, thông thường là từ 4 đến 8 cánh. M ặt cánh cong khơng
gian, prơphin cánh (cịn gọi là biên dạng cánh) có hình dáng thay đổi từ trong ra ngồi
(hình 1-4). Cánh BXCT có thể chế tạo cùng với bầu thành m ột khối hoặc chế tạo riêng rồi
gắn chặt vào bầu bằng bulông. BXCT là bộ phận chuyển hoá năng lượng nước. Khi nước
chảy trên m ặt cong của cánh, do nước phải đổi hướng nên tạo ra m ột áp lực tác dụng lên bề
m ặt cánh BXCT, gây nên m ơmen quay làm quay BXCT tuabin.

• Buồm* 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-n,001)D ,, trong đó D, là đường kính BXCT.

Hình 1-4: Tưahin chong chóng trục đứng cơng suất ¡ớn.

1. Buồng xoắn; 2. Stato; 3. Cánh hướng dòng; 4. Vành trên BPHD; 5. Nắp tuabin; 6. Vành điểu chinh;
7. Động cơ secvô; 8. Trục tuabin; 9. Ô hướng; 10. Bẩu BXCT; 11. Cánh BXCT; 12. Buồng BXCT; 13. Ông hút.

• Buồng tuabin là bộ phận dẫn nước vào BXCT. Có nhiều loại buồng tuabin. Ở TTĐ lớn,
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 nhà máy thuỷ điện, vì vậy sẽ được giới thiệu kỹ
hơn ở chương 3.

• Ơng hút là bộ phận dẫn nước từ BXCT xuống hạ lưu. Nhờ có ống hút mà phần cột
nước từ BXCT tới hạ lưu (khi BXCT nằm trên mực nước hạ lưu) được sử dụng và phần lớn
động năng còn lại sau khi ra khỏi BXCT được phục hồi làm cho hiệu suất của tuabin tăng

cao. Kết cấu của ống hút cũng rất đa dạng và có liên quan nhiều đến kích thước, kết cấu
của nhà máy thuỷ điện, cũng được trình bày kỹ hơn ở chương 3.

</div>
(10)<div class='page_container' data-page=10>

ở TTĐ vừa và lớn lắp đặt tuabin trục đứng thường gặp stato kiêu trụ (hình 1-5). Stato kiểu
trụ có hai vành (trên và dưới) bằng kim loại, giữa hai vành là các cột stato (hình 1-5 b,c),
cũng có khi stato được chế tạo thành từng cột riêng biệt và hai đầu cột có hai bệ chơn trong
bê tơng (hình 1-5 a). Nếu tải trọng tác dụng lên stato chỉ là lực nén thì chế tạo bằng gang,
nếu là lực nén và kéo (thường gặp ở TTĐ cột nước trung bình và cao) thì làm bằng thép.
Các cột stato kiểu trụ nằm trong cùng một mặt trụ đồng thời với trục tuabin. Để giảm bớt
tổn thất thuỷ lực đến mức thấp nhất phải chọn hình dáng tiết diện ngang và bố trí các cột
sao cho thuận dòng nhất. Số cột stato thường lấy bằng một nửa số cánh hướng dòng và phân
bố đểu theo vòng tròn. Răng buồng xoắn cũng làm nhiệm vụ trụ stato. Ngoài stato kiểu trụ,
còn gặp stato kiểu hướng tâm dùng ở tuabin dòng chảy thẳng và nửa thẳng (hình 1 -6) hay
stato kiểu chóp dùng ở tuabin chéo trục (hình 1-7).

Hình 1-5: Stato tưahin kiểu trụ

a) Cột riênq biệt
chơn trVị bê tơníị;
b) Cột stato hàn vảo vành;
c) Cột riêniỊ biệt

lắp vào vành.

Hình 1-6: Tổ máy ì ắp đặt

</div>
(11)<div class='page_container' data-page=11>

Hình 1-7: Tuahin chéo trục với BPHD kiểu chóp.

• Bộ phận hướng dịng (BPHD) (hình 1-8) BPHD nằm ở 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 tua bin.
Để làm nhiệm vụ trên, các cánh hướng dòng được bố trí đều chung quanh và được gắn
vào hai vành trên và dưới. Các cánh hướng dịng 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 1-8).

Vành điều chỉnh được điều khiển từ động cơ secvô của máy điều tốc. Khi các cánh
hướng dòng quay thì khơng những khoảng cách giữa các cánh hướng dòng (gọi là độ mở
của 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.

Sỏ' lượng cánh hướng dòng thường nằm trong khoảng từ 16 cánh đến 32 cánh. Tuabin
nhỏ (D ,<225cm ) có 16 cánh. Ở tuabin lớn, với D|<650cm có 24 cánh, còn với D ,>700cm
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-f 14 cánh). Để giảm bớt tổn thất thuỷ lực ơ
BPHD, hình dáng các cánh hướng dòng phải thuân dòng và bề mặt tiếp xúc với nước phải
nhẵn và phải phối họp 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 (hình 1-8).
Ngồi ra, cịn có BPHD kiểu hướng tâm ở tuabin dòng chảy thẳng và nửa thẳng (hình 1 -6)
hay BPHD kiểu chóp (hình 1-7) ở tuabin chéo trục.

</div>
(12)<div class='page_container' data-page=12>

Hình 1-8: Bộ phận hướng dịng hình trụ với cơ câu diều chỉnh.

1. Cánh hướng dòng; 2. Vành dưới; 3. Vành trên; 4. 0 trục cánh hướng. 5. Trục quay cánh;
6. Ô hướng của tuabin; 7. Thanh quay; 8. Thanh kéo; 9. Vành điều chính.

1.4.2. Tuabỉn cánh quay

Mặc dù các bộ phận nói chung giống tuabin chong chóng, song kết cấu tua bin cánh
quay phức tạp hơn (xem hình 1-3 và 1-9). Sự khác nhau chủ yếu ở chỗ cánh BXCT 1 và bầu
BXCT 4 được chế tạo riêng biệt. Ớ đây cánh BXCT có trục quay cánh 2 và ổ đỡ nên cánh
có thể quay được. Bên trong bầu BXCT 4 lắp đặt pittơng động cơ secvơ 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. Buồng BXCT ở
phía trên có dạng hình trụ, cịn phần dưới có dạng bán cầu để đảm bảo khe hở giữa cánh và
buồng BXCT nhỏ. Chỗ tiếp nối buồng BXCT với ống hút bị thắt lại gọi là cổ ống hút, có
đường kính Dh= (0,973 -5-0,982)D,.

</div>
(13)<div class='page_container' data-page=13>

1.4.3. Tuabỉn tâm trục

Tuabin tâm trục là m ột 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 90° và ra khỏi BXCT theo hướng dọc trục.
Vì thế, được gọi là tuabin tâm trục, v ề kết cấu, các bộ phận của tuabintâm trục như : buồng
tuabin, ống hút, BPHD, trục, ổ trục... khơng có khác biệt mấy tuabin chong chóng và tuabin
cánh quay, trừ bánh xe cơng tác. Hình 1-10 là kết cấu tổ máy lắp tuabin tâm trục.

Bánh xe công tác tuabin tâm trục (hình 1-11) gồm có vành trên 1, vành dưới 2. Giữa hai
vành là các cánh có dạng cong khơng gian ba chiều. Số lượng cánh từ 12 đến 22 chiếc.
BXCT tuabin tâm trục thường được đúc thành m ột khối. Trong điều kiện vận chuyển hạn
chế có thê 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 tàm trục cột nước trung bình (H<80m) có tỷ số

^ - > l ( h ì n h 1-1 la), còn với cột nước cao thì < 1 (hình 1 -1 lb).

D,_ D 2

máy lắp tua bin tám trục
b)

Hình 1-11: BXCT tuabin tâm trục.

</div>
(14)<div class='page_container' data-page=14>

Tuabin gáo thuộc loại tua bin xung kích, có ngun lý làm việc khác với tuabin phản
kích, nên về cấu tạo cũng khác hắn.

Các hệ loại tuabin xung kích: gáo, xung kích hai lần, tia nghiêng ... đều có các bộ phận
cơ bản sau:

• Vịi phun.

• Bộ phận điều chỉnh lưu lượng.
• BXCT.

• Vỏ tuabin.

Tuabin gáo dùng ở TTĐ cột nước cao. Tuabin gáo có thể đặt đứng hoặc nằm ngang. Loại
trục ngang thường có cơng sưất bé và có từ một đến hai vòi phun cho một BXCT, số lượng
BXCT trên cùng một trục thường là một hoặc hai. Loại trục đúng có số vòi phun nhiều hơn,
thường từ hai đến sáu. Các vòi phun được bơ' trí đều chung quanh BXCT.

- Vịi phun có nhiệm vụ biến tồn bộ nặng lượng nước thành động năng trước khi đưa vào

BXCT. Để điều chỉnh lưu lượng nước đến BXCT, ở đầu vịi phun có van kim. Khi đường ống
dài, nếu đóng nhanh van kim thì áp lực nước va lớn. Để hạn chế trị số áp lực trong tuabin gáo
cócơ cấu cắt dịng. Khi có sự cố dừng máy, tuy vẫn đóng van kim từ từ, nhưng nhờ có cơ cấu
cắt dịng khơng cho tia nước bắn vào gáo nên tuabin dừng lại nhanh chóng.

- BXCT tuahin gáo (hình 1-13) gồm có đĩa I, trên đĩa gắn các cánh 3 có dạng gáo vào
chung quanh đĩa, thường có từ 14 dến 60 gáo tuỳ theo cột nước.

Tia nước khi bắn vào gáo tạo xung lực làm BXCT quay. Khi vào gáo, tia nước bị “dao”
của gáo rẽ làm đôi, nước lướt trên mặt gáo rồi bắn ra ngoài rơi thẳng xuống buồng thoát.
Cột nước lợi dụng ở tuabin gáo được tính từ mực nước thượng lưu đến điểm tia nước bắn
vào gáo.

- Vỏ tuahin có nhiệm vụ khơng cho nước từ BXCT bắn ra ngoài gian máy.

- Buồng thốt có nhiệm vụ tập trung nước sau khi ra khỏi BXCT để đưa ra kênh xả.
- BXCT phải đặt cao hơn mực nước trong buồng thoát.

1.4.4.

Tuabin gáo

(hình 1-12)

Hình 1-12: Tuahiìì gáo trục ngang.

1. Vòi phun; 2. BXCT; 3. Trục; 4. ông dẫn nước; 5. Van kim; 6. Đẩu van kim;

</div>
(15)<div class='page_container' data-page=15></div>
(16)<div class='page_container' data-page=16>

1.4.5. Tuabỉn xung kích hai lần (hình 1-14)

Tuabin xung kích hai lần có kết cấu đơn giản nên thường dùng ở TTĐ nhỏ cột nước cao.
Tua bin gồm vòi phun có tiết diện chữ nhật. Vịi phun được điều chỉnh lưu lượng bằng van
phẳng gắn vào trục điều chỉnh. Khi quay vô

lăng sẽ làm trục điều chỉnh xê dịch làm thay đổi
tiết diện vòi phun. BXCT gồm hai đĩa và các
cánh cong gắn vào giữa hai đĩa, số cánh thường
từ 12 đến 48 chiếc. Trục tuabin xuyên qua chính
giữa BXCT qua tâm hai đĩa. Do ở giữa BXCT
rỗng nên nước sau khi bắn vào cánh BXCT lần
thứ nhất sẽ rơi vào khoảng trống trong BXCT
rồi lại tác động lên cánh BXCT nằm ở phía dưới
một lần nữa trước khi ra khỏi BXCT rơi xuống
buồng thoát. Vì thế có tên tuabin xung kích hai
lần. Ở lần tác động thứ nhất dòng nước truyền
khoảng 83% năng lượng. Còn lần tác động thứ

hai trao tiếp 17% năng lượng còn lại. Hình 1-14: Tuahm xung kích hai ìần

Câu hỏi ôn tập và bài tập

1. Các máy nào thuộc vế máy thuỷ lực? Tuabin nước và máy bơm làm việc trên nguyên
lý nào?.

2. Các thơng số chính của tuabin?.

3. Phân loại tuabin: loại , hệ, kiểu, cỡ tuabin?. Phạm vi cột nước sử dụng?.

4. Cấu tạo một số hệ loại tuabin thường gặp: tuabin chong chóng, tuabin cánh quay,
tuabin tâm trục, tuabin gáo?

5. Bài tập. Biết MNTL=215m; MNHL= 150m; vận tốc trước cửa lấy nước là 0,2m/s; vận
tốc nước ở hạ lưu là 0,2m/s; đường ống thép dẫn nước vào tuabin có D=7m, L=200m , tổng
hệ số tổn thất cục bộ trên đường dẫn là 1,02; lưu lượng lớn nhất qua đường ống là 200m 3/s;

tiết diện cửa ra của ống hút tuabin là 39, lm 2. Xác định:

• Mực nước đo áp tại mặt cắt trước buồng tuabin và tại cửa ra của ống hút tuabin.

</div>
(17)<div class='page_container' data-page=17>

C hương 2

C ơ SỎ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA TUABIN

2.1. QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA TUABIN

Như đã nói ở trên, dòng nước tác động vào cánh tuabin có hai cách khác nhan về
nguyên tắc: tác động xung kích và tạc động phản kích. Tác động xung kích của tuabin
xung kích là khi tia nước bắn vào bản chắn (cánh BXCT), bản chắn ngăn tia nước lại,
động năng tia nước truyền cho bản chắn, xung lực này làm cho BXCT quay, ở đây khơng
có sự tham dự của thành phần áp năng. Tác động phản kích của dịng nước ở tuabin phản
kích là do dịng nước khi chảy qua BXCT bắt buộc phải chảy trong các rãnh giữa hai cánh
BXCT, làm thay đổi cả độ lớn lẫn hướng của vận tốc nước. Do nước phải đổi hướng chảy
tạo nên phản lực tác dụng lên cánh BXCT'. Phản lực này tác động lên tất cả các cánh
BXCT tạo nên m ôm en quay tuabin.

Trong tác dộng xung kích, q trình chuyển động của tia nước từ khi đi vào cánh tuabin
cho đến khi ra khỏi tưabin xảy ra trong mơi trường khơng khí có áp suất khơng đổi pa. Còn
trong tác động phản kích, q trình tác động của dòng chảy lên cánh BXCT xảy ra trong
môi trường nước có áp suất thay đổi, tức áp lực nước tại các điểm khác nhau của dịng nước
khơng giống nhau.

2.1.1. Quá trình làm việc của tuabin gáo

Tuabin gáo thuộc loại tuabin xung kích. BXCT tuabin gáo đặt trong khơng khí, do đó
chỉ có thể sử dụng phần động năng của chất lỏng và dòng nước chỉ tác động lên một bộ

phận của BXCT ( do tia nước chỉ bắn vào một gáo trong các gáo gắn trên BXCT). Khi tia
nước bắn vào gáo với vân tốc vr , tia nước chảy vào mãt gáo với vân tốc V,, có thể coi Vj= V .
Vận tốc của tia nước bắn ra từ vòi phun được xác định bằng công thức:

với:<p- hệ số vận tốc của nước vòi phun, ạ> = 0,95.

H - cột nước tính từ mực nước thượng lưu đến vịi phun.

Dươi tac đọng xung kích cua tia nươc, BXCT quay VƠI tôc đỏ quay n. Vân tốc chuyển đôna

cùa các điểm trên gáo cách tâm quay một đoạn r (bán kính) được xác định theo cơng thức:

Tại mép vào của gáo, V, là vận tốc tuyệt đối của nước, còn li, là vận tốc chuyển cĩộnv,

theo (vạn toc quaỵ cua diêm trên gáo tại mặt căt v à o ), nên vân tốc nước chảy trên măt con°
cua gao tại mạt cat vao (vận tôc tương CĨÔI giữa nước và gáo) Iàw, =V! —ũ ị . v ề hướng của
vạii toc, thi vụn tôc tuyệt đôi, vận tốc tương đôi vù vân tốc chuyển đônq theo (gọi tắt là vân
tốc theo) ở đây có cùng một hướng khi góc vào khơng va của tia nước ô, rất bé. Góc này

(2 - 1)

</div>
(18)<div class='page_container' data-page=18>

phụ thuộc vào “dao” nằm giữa gáo cắt tia nước thành hai phần cháy về hai bên mặt gáo có
độ cong lớn (hình 2-1). Dịng nước chảy trên mặt cong của gáo và chảy ra ngoài với vận tốc
tương đối w2. Nếu góc S2 ( góc giữa tiếp tuyến mặt cong gáo tại điểm ra với phương quay)
rất bé, thì ta có hướng của w2 ngược với Wị. Vận tốc tuyệt đối v2 ( vận tốc nước khi ra khỏi
gáo) là:

v : = w 2 + ũ , ( 2 - 3 )

hay v2 = u + w2 cos[32 = u - w2 cosỗ2 (2 - 4 )

ở đây, Ịw I = jwJI và tuỳ thuộc Q, còn u^ = Uị -• u và tuỳ thuộc n.

Như vậy, nếu độ cong của gáo làl 80° và vận tốc theo là vận tốc theo lợi nhất u = — thì
|w, I = |w,

ị

= u = — , do đó V, * 0, nên tác đơng xung kích của tia nước đat hiêu quả cao nhất.

Á.

Trên thực tế do tia nước có bề dày nhất định, góc cong của gáo lấy nhỏ hơn 180° và
dòng chảy ra khỏi vịi phun có tổn thất thủy lực, nên vận tốc quay u lợi nhất khơng hồn
tồn bằng — và do đó hiệu suất thủy lực của tuabin bé hơn 1.

Hình 2-1: Quá trình lìim việc của tuahin gáo.
2.1.2. Quá trình làm việc cua tuabin phản kích

ỉ . Dòng chảy sau cánh hướng dòng trước khi đi vùo BXCT

Như đã nói trên, nhiệm vụ của bộ phận hướng dòng (BPHD) là điều chỉnh lưu lượng
nước vào BXCT, đồng thời hướng dòng chảy vào BXCT cho thuận hơn.

Lưu lượng nước qua BPHD xác định theo cơng thức :

</div>
(19)<div class='page_container' data-page=19>

Trong đó:

D0- đường kính vịng trịn của BPHD tại các điểm có vận tốc v 0;
b 0- chiều cao cánh hướng dòng;

v 0 và v 0r, v 0u - vận tốc tuyệt đối của dòng chảy tại mép ra cánh hướng dòng và thành
phần hướng tâm và thành phần theo phương quay trịn của nó;

a 0 - góc giữa v0 và tiếp tuyến của vịng trịn tại điểm đó, thay đổi khi độ m ở ao thay đổi.
Lượng xoáy tại mép ra cánh hướng dịng tính theo cơng thức :

Xo = tcD 0v0u (2 - 6)

Nếu khoảng cách giữa mép ra của cánh hướng dòng với mép vào BXCT bé (ví dụ như ở
tuabin tâm trục) thì v, và v 0 sẽ hầu như trùng nhau cả hướng lẫn trị số. Như vậy có nghĩa
là ứng với lưu lượng qua tuabin cho trước, thì hướng của véc tơ vận tốc tại m ép vào BXCT
là do vị trí của các cánh hướng dịng quyết định.

Trường hợp khoảng khơng gian giữa BPHD và BXCT lớn (ví dụ như ở tuabin hướng
trục), nếu bỏ qua lực m a sát trong khoảng khơng gian này thì mô men ngoaị lực tác dụng
lên dòng nước so với trục quay ở đây sẽ bằng không, ta có:

v ouiroi = v0u2 r02 = v0ur0 = v 0 c o s a 0r0 = const (2 - 7)
nghĩa là vận tốc trong khoảng không gian giữa BPHD và BXCT biến đổi theo quy luật
môtnen vận tốc khơng đổi hay lượng xốy khơng đổi.

2. Chuyển động củư dịng chảy trong BXCT tuahin phản kích.

Khác với tuabin xung kích, BXCT tuabin phản kích nằm trong nước, nước chảy qua các
rãnh giữa các cánh BXCT. Cánh BXCT bắt dòng nước phải thay đổi hướng và độ lớn của
vận tốc nên dòng nước cũng tác dụng ngược trở lại lên cánh BXCT một lực, gây nên
mômen quay làm BXCT quay. Ở đây, nước chảy trong BXCT là một chuyển động phức
hợp, bao gồm chuyển động theo là chuyển động quay của BXCT và chuyển động tương đối
là chuyển động của nước chảy trên cánh BXCT.

Lấy tuabin hướng trục làm ví dụ để phân tích chuyển động dòng chảy trên BXCT ta
thấy nước trong BXCT tuabin hướng trục chảy trên các mặt trụ đồng tâm (xem hình 2-2a)
với quỹ đạo hình xoắn ốc.

</div>
(20)<div class='page_container' data-page=20>

Nếu cắt qua BXCT bằng một mặt trụ đồng tâm với trục quay và trải nó ra thành mặt
phắng, ta có lưới prơplìin cánh (hình 2-2b) dùng để nghiên cứu chuyến động cua nước trên
cánh BXCT tuabin.

Vận tốc quay của một điểm trên BXCT được xác định bằng công thức:
_ 2nm

u = -- - --- (2 - 8)

Ở đày: r - khoảng cách từ điểm nghiên cứu đến tâm quay, tức bán kính m ặt trụ;
n - tốc độ quay của BXCT (vòng/ph).

Nếu gọi II! ,it2 là vận tốc tại mép vào và mép ra của prôphin cánh BXCT (vận tốc chuyên
động theo) ta có:

2ĩirn
u. = u, = ——
2 60

Thành phần hướng trục của vận tốc nước tại mép vào và ra của cánh BXCT V, và V ,

xác định theo công thức:

n(D * háu '

( 2 - 9 )
Vận tốc nước tại mép vào prôphin cánh BXCT xác định bằng cách cộng véctơ vận tốc
thành phần

V, = v im+ v lu ( 2 - 1 0 )

trong đó thành phần vận tốc v lu được xác định theo quy luật mỏmen vận tốc không đối:
v ur = const.

Vận tốc nước tại mép ra prôphin cánh (vận tốc tuyệt đối) v 2 xác định bằng cách cộng
véc tơ vạn tốc tương đối và vận tốc chuyên động theo:

V, = ũ 2 + w 2 ( 2 - 1 1 )

Ở đây, vận tốc nước chảy ra khỏi prôphin cánh BXCT xác định theo công thức:

w 2 = v 2m /sin p2- (với «2 * 90°) ( 2 - 12)
Gọi 5, là góc nghiêng prơphin cánh tại mép ra (so với tiếp tuyến vòng tròn), với lưới
cánh dày có thể coi p 2 = ỗ2.

Với tuabin tâm trục, chuyển động cúa dòng chảy trong BXCT và cách vẽ các hình bình
hành vận tốc cũng tương tự tuabin hướng trục. Điều lưu ý là ở đày nước cháy trên các mặt
trịn xoay, khơng phải là trên các mặt trụ.

3. C h ế độ lủm việc của tnahin trong vận hành

</div>