Chương 2
MÁY THỦY LỰC CÁNH DẪN
2.1. Khái niệm cơ bản về MTL cánh dẫn
2.1.1. Khái niệm chung
Trong lịch sử phát triển của máy thủy lực thì máy thủy lực cánh dẫn ra đời tương đối muộn, nhưng hiện nay nó được dùng phổ biến nhất và phạm vi sử dụng ngày càng được mở rộng.
Trong máy thủy lực cánh dẫn việc trao đổi năng lượng giữa máy với chất lỏng được thực hiện bằng năng lượng thủy động của dòng chất lỏng qua máy.
Máy thủy lực cánh dẫn bao gồm các loại bơm và động cơ cánh dẫn như bơm li tâm, bơm hướng trục, các loại tua bin nước, …
Bộ phận quan trọng và điển hình nhất của máy thủy lực cánh dẫn là bánh công tác. Bánh công tác được cấu tạo bằng các bản cánh (thường có dạng mặt cong) gọi là cánh dẫn và các bộ phận cố định chúng. Bánh công tác cánh dẫn ghép chặt với trục, khi làm việc quay trong môi trường chất lỏng.
Bánh công tác bơm quay được trong chất lỏng là nhờ động cơ bên ngoài và trong quá trình đó do có các cánh dẫn mà cơ năng của động cơ truyền được cho chất lỏng, tạo nên dòng chảy liên tục qua bánh công tác. Chênh lệch năng lượng thủy động của chất lỏng ở lối ra và lối vào (trước và sau) của bánh công tác chính bằng cơ năng của bơm đã truyền cho chất lỏng (nếu không kể tới tổn thất).
Chuyển động quay của bánh công tác tua bin (động cơ thủy lực cánh dẫn thường gọi là tua bin thủy lực) thì trái lại được thực hiện do thế năng và động năng của dòng chất lỏng liên tục tác động lên các cánh dẫn. Nếu không kể tới tổn thất thì chênh lệch năng lượng thủy động của dòng chảy ở lối vào và lối ra của bánh công tác chính bằng cơ năng mà bánh công tác nhận được của dòng chất lỏng.
Biên dạng và góc độ bố trí cánh dẫn trong trong bánh công tác có ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số (vận tốc, áp suất , …) của dòng chảy nên chúng có ý nghĩa rất lớn đến tính năng làm việc của máy.
Phương chuyển động của chất lỏng qua bánh công tác tùy thuộc vào kết cấu và biên dạng của cánh dẫn.
Theo phương chuyển động của dòng chất lỏng từ lối vào đến lối ra của cánh dẫn, bánh công tác cánh dẫn được chia thành các loại sau:
- Bánh công tác li tâm hoặc hướng tâm: chất lỏng chuyển động trong bánh công tác từ tâm ra ngoài hoặc từ ngoài vào tâm theo hướng kính.
- Bánh công tác hướng trục: chất lỏng chuyển động qua bánh công tác theo phương song song với trục.
- Bánh công tác tâm trục hoặc trục tâm: chất lỏng chuyển động qua bánh công tác theo hướng tâm rồi chuyển sang hướng trục hoặc ngược lại.
- Bánh công tác hướng chéo: chất lỏng chuyển động qua bánh công tác không hướng tâm, không hướng trục mà hướng chéo (xiên)
Quỹ đạo chuyển động của các phần tử chất lỏng qua bánh công tác cánh dẫn rất phức tạp, nhưng để đơn giản trong tính toán, người ta giả thiết rằng:
+ Dòng chảy qua bánh công tác bao gồm các dòng nguyên tố như nhau.
+ Quỹ đạo chuyển động tương đối của các phần tử chất lỏng trong bánh công tác theo biên dạng cánh dẫn.
Các điều kiện để có dòng chảy giả thiết trên là:
+ Bánh công tác có số cánh dẫn nhiều vô cùng và mỗi cánh dẫn mỏng vô cùng (không có chiều dày)
+ Chất lỏng làm việc là chất lỏng lý tưởng (không có độ nhớt)
Với các giả thiết trên, chuyển động tuyệt đối của mỗi phần tử chất lỏng qua bánh công tác có thể phân tích thành hai chuyển động đồng thời: chuyển động theo (quay tròn cùng bánh công tác) và chuyển động tương đối (theo biên dạng cánh dẫn).
Chuyển động của các phần tử chất lỏng qua bánh công tác được đặc trưng bằng các vận tốc:
+ Vận tốc tiếp tuyến
+ Vận tốc tương đối theo phương tiếp tuyến với biên dạng cánh dẫn
+ Vận tốc tuyệt đối
= +
a: góc giữa và
b: góc giữa và theo hướng ngược lại biểu thị góc bố trí của cánh dẫn
Hình 2.1: Dòng nguyên tố chất lỏng chuyển động qua BCT máy li tâm
2.1.2. Phương trình cơ bản của MTL cánh dẫn
2.1.2.1. Phương trình mômen
Ứng dụng định lý cơ học về biến thiên mômen động lượng, ta có thể phát biểu đối với dòng chất lỏng chuyển động qua bánh công tác như sau:
Biến thiên mômen động lượng của khối chất lỏng chuyển động qua bánh công tác trong một đơn vị thời gian đối với trục quay của bánh công tác bằng tổng mômen ngoại lực tác dụng lên khối chất lỏng đó, tức là bằng mômen quay của bánh công tác.
Xét một dòng nguyên tố trong khối chất lỏng chuyển động qua bánh công tác của bơm li tâm, dòng nguyên tố có lưu lượng dQ, động lượng của nó tại mặt cắt (1-1) là:
dK1 = d(m.c1) = r.dQ.c1 (2-1)
tại mặt cắt (2-2): dK2= d(m.c2 = r.dQ.c2 (2-2)
Mômen động lượng của dòng nguyên tố đối với trục quay của bánh công tác tại mặt cắt (1-1) và (2-2) là:
dL1 = dK1.l1 = r.dQ.c1.R1.cosa1 (2-3)
dL2 = dK2.l2 = r.dQ.c2.R2.cosa2 (2-4)
Biến thiên mômen động lượng của dòng nguyên tố chất lỏng trong một đơn vị thời gian là:
DL = dl2 – dL1 = r.dQ(c2.R2.cosa2 - c1.R1.cosa1) (2-5)
Vì đã giả thiết các dòng nguyên tố chảy qua bánh công tác như nhau, nên biến thiên mômen động lượng của toàn bộ khối chất lỏng chuyển động qua bánh công tác bằng tổng các biến thiên mômen động lượng của các dòng nguyên tố:
SDL = Sr.dQ(c2.R2.cosa2 - c1.R1.cosa1)
SDL = r.Q(c2.R2.cosa2 - c1.R1.cosa1) (2-6)
Trong đó Q là lưu lượng chất lỏng chảy qua bánh công tác (chính bằng lưu lượng lý thuyết của bơm).
Gọi M là mômen do ngoại lực tác dụng lên trục quay, tức là mômen quay của trục thì:
M = SDL = r.Q(c2.R2.cosa2 - c1.R1.cosa1) (2-7)
Đối với bánh công tác của tuabin thì mômen động lượng của dòng chảy giảm theo chiều dòng chảy từ lối vào đến lối ra của bánh công tác. Tính tương tự như trên ta có:
M = r.Q(c1.R1.cosa1 - c2.R2.cosa2) (2-8)
Vậy đối với máy thủy lực cánh dẫn nói chung, phương trình mômen có dạng tổng quát:
M = r.Q(±c2.R2.cosa2 c1.R1.cosa1) (2-9)
(Hàng dấu trên đối với bơm, hàng dấu dưới đối với tuabin)
Qua phương trình (2-9) ta thấy cơ năng của máy thủy lực cánh dẫn trao đổi với chất lỏng liên quan mật thiết với các thông số động học của dòng chảy và kích thước, kết cấu cánh dẫn của bánh công tác.
2.1.2.2. Phương trình cột áp
Ta đã biết cột áp H của máy thủy lực là năng lượng đơn vị của dòng chất lỏng trao đổi với máy thủy lực, nó chính là công của một đơn vị trọng lượng chất lỏng trao đổi với máy.
Theo (1-8), có thể viết:
Ntl = g.Q.H1¥ = r.g.Q.H1¥
Mặt khác, quan hệ giữa mômen M với công suất trên trục của bánh công tác là:
N = M.w
Nếu không kể tới tổn thất thì công suất thủy lực bằng công suất trên trục quay, tức là:
r.g.Q.H1¥ = N.w
Thay giá trị của M vào và biến đổi, được:
Vì: w.R = u
(2-10)
Theo tam giác vận tốc có: c1.cosa1 = c1u c2.cosa2 = c2u nên (2-10) viết thành:
(2-11)
(2-11) là phương trình cơ bản của máy thủy lực cánh dẫn do Ơle lập ra đầu tiên năm 1775, nên còn gọi là phương trình Ơle
2.1.3. Luật tương tự trong MTL cánh dẫn
Trong thực tế còn nhiều vấn đề liên quan tới sự chuyển động của chất lỏng trong bánh công tác mà hiện nay lý thuyết chưa giải quyết được cặn kẽ, nhất là việc tính toán các tổn thất của dòng chảy qua máy. Bởi vậy, trong nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thủy lực nói chung và các máy thủy lực cánh dẫn nói riêng, phải điều chỉnh các kết quả tính toán bằng các số liệu thực nghiệm thu được qua các thí nghiệm với máy thu nhỏ gọi là mô hình. Để có thể suy được kết quả thực nghiệm trên các máy mô hình cho các máy thực cần có điều kiện là các máy phải tương tự.
2.1.3.1. Các tiêu chuẩn tương tự
a) Tiêu chuẩn tương tự hình học
Hai máy N (thực) và M (mô hình) tương tự hình học thì chúng phải đồng dạng, nghĩa là các góc độ bố trí cánh dẫn phải bằng nhau và các kích thước tương ứng phải tỷ lệ với nhau, kể cả độ nhấp nhô bề mặt.
(a, b)M = (a, b)N
(2-12)
l1 gọi là tiêu chuẩn hình học.
b) Tiêu chuẩn tương tự động học
Hai máy thủy lực tương tự động học khi các tam giác vận tốc tương ứng của dòng chảy qua hai máy đó đồng dạng, nghĩa là tỷ lệ giữa các vận tốc tương ứng phải bằng nhau
(2-13)
lv gọi là tiêu chuẩn tương tự động học
c) Tiêu chuẩn tương tự động lực
Hai máy tương tự động lực khi tỷ lệ của các lực tác dụng lên các phần tử tương ứng của hai bánh công tác hoặc của hai dòng chảy bằng nhau:
(2-14)
lp gọi là tiêu chuẩn tương tự động lực
Muốn có tiêu chuẩn tương tự động lực thì trạng thái chảy của dòng chất lỏng trong hai máy phải như nhau, nghĩa là có cùng số Râynôn
ReM = ReN (2-15)
Trong trường hợp dòng chảy trong hai máy rơi vào khu vực bình phương sức cản thì tổn thất thủy lực không phụ thuộc vào trị số Re mà phụ thuộc vào độ nhấp nhô tương đối của các bề mặt chi tiết. Khi đó đòi hỏi hai máy phải đảm bảo điều kiện tương tự về độ bóng bề mặt chi tiết, nghĩa là chúng phải tương tự hình học một cách tuyệt đối.
1.2.3.2. Các quan hệ tương tự của máy thủy lực cánh dẫn
Ta nghiên cứu quan hệ giữa các thông số cơ bản của hai máy thủy lực tương tự.
a) Lưu lượng
Lưu lượng dòng chảy qua bánh công tác cánh dẫn bất kỳ nào cũng có thể tính theo công thức:
Q = cm.p.D.b (2-16)
b là chiều rộng của máng dẫn ứng với đường kính D của bánh công tác
cm là hình chiếu vận tốc tuyệt đối lên phương thẳng góc với phương của u
Hình 2-2
Theo kết cấu bánh công tác cánh dẫn, chiều rộng b tỷ lệ với đường kính D nên có thể viết:
b = k1.D (2-17)
và cm cũng tỷ lệ với vận tốc u:
(2-18)
k1, j: các hệ số tỷ lệ
Thay (2-17) và (2-18) vào (2-16) được:
(2-19)
Khi hai máy tương tự hình học thì k = const và tương tự động học thì j = const, do đó phương trình (2-19) có thể viết:
Hoặc (2-20)
Vậy tỷ số lưu lượng của hai máy thủy lực cánh dẫn tương tự tỷ lệ bậc ba với tỷ số đường kính bánh công tác và tỷ lệ bậc một với tỷ số vòng quay.
b) Cột áp
Theo phương trình cơ bản đối với bánh công tác bơm cánh dẫn có:
Suy ra: (2-21)
Hoặc: (2-22)
Đối với cánh công tác tua bin, lập luận như trên ta cũng được kết quả như phương trình (2-22). Vậy tỷ số cột áp của hai máy thủy lực cánh dẫn tương tự tỷ lệ bậc hai với tỷ số đường kính bánh công tác và tỷ số vòng quay.
c) Công suất
Theo (1-8) ta có thể viết:
Từ (2-20) và (2-22) ta được:
(2-23)
Vậy tỷ số công suất thủy lực của hai máy cánh dẫn tương tự tỷ lệ bậc năm với tỷ số đường kính bánh công tác, tỷ lệ bậc ba với tỷ số vòng quay và tỷ lệ bậc một với tỷ số trọng lượng riêng của chất lỏng làm việc.
d) Mômen
Tỷ số mômen quay của hai máy có thể viết:
Thay (2-23) vào ta được:
(2-24)
Vậy tỷ số mômen quay của hai máy cánh dẫn tương tự tỷ lệ bậc năm với tỷ số đường kính bánh công tác, tỷ lệ bậc hai với tỷ số vòng quay và tỷ lệ bậc một với tỷ số trọng lượng riêng của chất lỏng làm việc.
* Từ (2-23) có:
(2-25)
lNtl gọi là hệ số công suất thủy lực, đơn vị là s2/m
Từ (2-25) rút ra:
Ntl = lNtl.g.D5.n3 (2-26)
Nhận xét: hệ số công suất thủy lực chính bằng công suất của bánh công tác máy thủy lực cánh dẫn trao đổi với dòng chất lỏng khi bánh công tác có D = 1m; n = 1 v/ph và trọng lượng riêng chất lỏng g = 1N/m3.
* Từ (2-24) có:
(2-27)
lMtl gọi là hệ số mômen thủy lực, đơn vị s2/m
Từ (2-27) rút ra:
M = lMtl.g.D5.n2 (2-28)
Nhận xét: hệ số mômen thủy lực chính bằng mômen quay của bánh công tác máy thủy lực cánh dẫn truyền cho chất lỏng khi bánh công tác có D = 1m; n = 1 v/ph và trọng lượng riêng chất lỏng g = 1N/m3.
2.1.4. Số vòng quay đặc trưng
Để việc sử dụng, thiết kế chế tạo máy thủy lực được thuận tiện và kinh tế, giống như các sản phẩm công nghiệp khác, máy thủy lực cánh dẫn cũng được tiêu chuẩn hóa. Mỗi loại máy thủy lực cánh dẫn sản xuất ra được chia thành nhiều nhóm, trong cùng một nhóm các máy này đều có đặc tính làm việc và hiệu suất như nhau, nghĩa là chúng tương tự với nhau. Để đặc trưng cho một nhóm, người ta dùng máy mẫu tượng trưng (mô hình) và quy định máy mô hình có các thông số sau:
Hs = 1m cột chất lỏng
Qs = 0,075 m3/s (2-29)
ns : số vòng quay trong 1 phút
hs : hiệu suất có lợi nhất
Bất kỳ máy nào chế tạo ra cũng phải tương tự với máy mô hình cùng hệ thống. Các thông số làm việc của máy đó và máy mô hình quan hệ với nhau theo luật tương tự.
Từ (2-20) và (2-22) ta có:
(2-30)
(2-31)
Thay giá trị Hs và Qs và biến đổi được:
(2-32)
Hoặc theo (2-23) ta có:
(2-33)
ta cũng được (2-34)
Với H (m), Q (m3/s), n (v/ph), N (KW)
Muốn biết một máy thủy lực cánh dẫn nào đó thuộc nhóm của máy mô hình nào, người ta dùng số vòng quay ns tính theo công thức (2-32) hoặc (2-34) để phân biệt nên thường gọi ns là số vòng quay đặc trưng.
Vậy số vòng quay đặc trưng ns của một máy thủy lực cánh dẫn không phải là số vòng quay thực của máy đó, mà là số vòng quay của máy mô hình tương tự có các thông số ghi ở (2-29)
Số vòng quay đặc trưng có ý nghĩa rất lớn trong việc tính toán thiết kế và sử dụng máy thủy lực cánh dẫn.
2.2. Bơm li tâm
2.2.1. Phân loại, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm li tâm
a) Phân loại
Bơm li tâm thuộc loại bơm cánh dẫn, được phân theo các loại sau:
* Phân loại theo cột áp của bơm:
- Bơm cột áp thấp: H < 20 m cột nước
- Bơm cột áp trung bình : H = (20 ¸ 60) m cột nước
- Bơm cao áp: H > 60 m cột nước.
Hình 2.3: Bơm li tâm trục ngang
* Phân loại theo số bánh công tác lắp nối tiếp trong bơm:
- Bơm có một bánh công tác gọi là bơm một cấp. Cột áp của bơm một cấp bị hạn chế bởi số vòng quay và sức bền của cánh dẫn, nên thường không vượt quá 100 m cột nước.
- Bơm có nhiều bánh công tác lắp nối tiếp gọi là bơm nhiều cấp. Cột áp của bơm nhiều cấp gần bằng tổng số cột áp của các bánh công tác có trong bơm, còn lưu lượng của bơm là lưu lượng của một bánh công tác.
Hình 2.4. Bơm li tâm nhiều cấp
* Phân loại theo cách dẫn chất lỏng vào bánh công tác:
- Bơm có bánh công tác hút chất lỏng từ một phía gọi là bơm một miệng hút (bơm công xôn). Với cách hút chất lỏng từ một phía, lưu lượng của bơm bị hạn chế, ngoài ra còn gây nên lực hướng trục trong bơm.
- Bơm có bánh công tác hút chất lỏng từ hai phía gọi là bơm hai miệng hút. Bánh công tác của bơm hai miệng hút được xem như hai bánh công tác của bơm một miệng hút có cùng kích thước ghép lại với nhau, do đó lưu lượng bơm tăng gấp đôi còn cột áp vẫn không đổi. Ngoài ra với cách hút chất lỏng từ hai phía đối xứng sẽ không gây ra lực hướng trục trong bơm, có điều kiện bố trí bơm ở giữa hai gối đỡ trục, làm tăng thêm độ bền vững.
b) Cấu tạo
Xét về mặt cấu tạo, bơm li tâm của bất kỳ loại nào cũng bao gồm các bộ phận chủ yếu sau: Trục bơm 1, bánh công tác 2, các bản lá 3, thân bơm 4, ống hút 5, ống phun 6, ống loa 7, lưới hút 8, khoá đổ chất lỏng vào bơm 9 (hình 2.4).
Ở những chỗ trục xuyên qua vỏ bơm người ta đặt những vòng lót để giữ kín không cho chất lỏng chảy ra ngoài cũng như ngăn không khí xâm nhập vào bơm.
Bánh công tác thường được đúc liền với các bản lá bằng thép, gang hoặc đồng. Nó có cấu tạo hút một phía hoặc hai phía. Số bản lá trong bánh công tác tuỳ thuộc vào loại bơm li tâm khác nhau mà có thể có từ 2 đến 12.
Thân bơm hầu hết đúc theo hình xoắn ốc để cho chất lỏng thoát raa từ bánh công tác vào ống phun được êm dịu. Buồng xoắn ốc nối liền với ống loa 7, tại đây vận tốc chất lỏng giảm xuống còn trong buồng xoắn ốc chất lỏng chuyển động với vận tốc không đổi, nhưng tiết diện của buồng tăng dần, do đó lưu lượng của dòng chất lỏng thay đổi dần theo.
Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo bơm li tâm
Để tiện việc theo dõi hoạt động của bơm, người ta lắp chân không kế trên ống hút và áp lực kế trên ống phun. Ngoài ra trên ống phun còn có khoá điều chỉnh năng suất và cột áp của bơm; hoặc có thể lắp thêm trên ống phun một khoá bảo hiểm hay một bộ phận đặc biệt dùng để điều hoà áp lực, không cho áp lực tăng lên khi xảy ra hiện tượng nước va.
c) Nguyên lý hoạt động
Bơm li tâm làm việc dựa vào sự tác dụng tương hợp giữa chất lỏng chuyển động cùng với bánh công tác của bơm. Trước khi cho bơm vận hành người ta đổ chất lỏng vào bơm qua lỗ 9. Khi chất lỏng đã đầy thân bơm thì đóng khoá (lỗ) 9. Động cơ làm việc dẫn đến chuyển động quay của bánh công tác. Dưới tác dụng của lực li tâm chất lỏng trong bơm chuyển động theo các rãnh giữâ các bản lá của bánh công tác hướng từ tâm ra. Nhờ đó trong bánh công tác tạo nên chân không và chất lỏng từ ngoài theo ống hút chảy vào khoang của bánh công tác. Tại đây dưới tác dụng của lực li tâm một chu kỳ chuyển động mới của chất lỏng được bắt đầu. Như vậy trong chuyển động quay đều của bánh công tác sẽ có sự chuyển động liên tục của chất lỏng trong bơm và qua ống phun.
Vấn đề quan trọng đặt ra trong chế tạo bơm li tâm là làm thế nào để dòng chất lỏng khi vào và ra khỏi bánh công tác chịu sức cản ít nhất. Trong trường hợp ngược lại sẽ gây nên tổn thất năng lượng lớn và làm giảm hiệu suất của bơm.
2..2.2. Lý thuyết cơ bản của bơm li tâm
Trong chuyển động của bánh công tác, dưới tác dụng của lực li tâm chất lỏng đã nhận được một phần năng lượng. Để xác định phần năng lượng này, người ta giả thiết rằng bánh công tác có số bản lá nhiều vô kể và chất lỏng được phân đều theo các rãnh cực bé kề nhau nên dòng chất lỏng chuyển động trong mỗi rãnh riêng biệt đó có thể xem như tia dòng nguyên tố.
Do đó chuyển động của chất lỏng qua bánh công tác sẽ có ba thành phần vận tốc sau:
- Vận tốc tiếp tuyến U: là vận tốc chuyển động của chất lỏng cùng với bánh công tác; vận tốc U phụ thuộc vào bán kính của bánh công tác.
- Vận tốc tương đối W: là vận tốc của chất lỏng đối với bản lá theo hướng từ tâm ra.
- Vận tốc tuyệt đối C: là tổng hợp của hai thành phần vận tốc tương đối và vận tốc tiếp tuyến.
Ta hãy khảo sát chuyển động của chất lỏng theo một trong những tia nguyên tố giữa hai bản lá kề nhau của bánh công tác (hình 2.1).
Ký hiệu U1, W1 và C1 lần lượt là các vận tốc: tiếp tuyến, tương đối và tuyệt đối của chất lỏng ở lối vào của bánh công tác, còn U2, W2, C2 là các vận tốc tương ứng khi ra khỏi bản lá, ta có:
(2-35)
Ở đây a1 và a2 là các góc tạo bởi các véc tơ vận tốc tuyệt đối và tiếp tuyến ở lối vào và lối ra của bánh công tác.
Thành phần hướng tâm của vận tốc tuyệt đối tại lối ra:
C2r = C2.sin a2 (2-36)
Thành phần tiếp tuyến của vận tốc tuyệt đối tại lối ra:
C2T = C2.cos a2 = U2 - C2r.Cotg b2. (2-37)
b2 là góc tạo bởi véc tơ vận tốc tiếp tuyến và véc tơ vận tốc tương đối tại lối ra của bánh công tác.
Các góc a và b đặc trưng cho hình dạng của các bản lá nên được gọi là các góc của bản lá; a và b phải có trị số thích hợp để cho dòng chất lỏng vào và ra khỏi các bản lá của bánh công tác chịu sức cản thuỷ lực bé nhất, liên tục và êm dịu.
Cho rằng chuyển động của chất lỏng qua bánh công tác của bơm là liên tục và không có chấn động. Như vậy vận tốc chuyển động của chất lỏng trong ống hút trước chỗ vào bánh công tác bằng vận tốc tuyệt đối C1 và trực tiếp sau khi qua nó, còn vận tốc tuyệt đối C2 tại chỗ ra khỏi bánh công tác bằng vận tốc của dòng chảy sau khi ra khỏi nó để vào ống phun.
Viết phương trình Becnuli không tính đến sức cản thuỷ lực cho hai tiết diện tại điểm 1 và điểm 2, đồng thời biểu thị áp suất tại các điểm tương ứng đó là P1 và P2, ta có:
(2-38)
Trong đó:
: là tỷ năng của chất lỏng tại chỗ vào của bánh công tác;
: là tỷ năng của chất lỏng tại chỗ ra của bánh công tác.
HT¥: tỷ năng mà chất lỏng thu được trong chuyển động của nó qua bánh công tác do tác dụng của lực li tâm.
Từ (5-34) rút ra:
(2-39)
Tương tự ta viết phương trình Becnuli cho tiết diện sau chỗ vào của bánh công tác (điểm 1') và tiết diện trực tiếp trước chỗ ra (điểm 2') . Trong đó ta đưa vào phương trình Becnuli những số hạng mới, phụ thuộc vào sự chuyển qua chuyển động tương đối cùng với ảnh hưởng của các lực hướng tâm.
Tại các điểm 1' và 2' áp suất được biểu thị là P1 và P2. Nếu bỏ qua sức cản thuỷ lực và tính năng lượng phụ A mà chất lỏng đã nhận được trong chuyển động quay của bánh công tác bằng công của các lực li tâm thì phương trình Becnuli viết cho các tiết diện trên có dạng:
(2-40)
A: Phần năng lượng thu được của 1 kg chất lỏng trong bánh công tác do tác dụng của lực li tâm.
Cần xác định năng lượng A. Như đã biết, lực li tâm (Plt) tác dụng lên một vật thể chuyển động quay được tính bằng công thức:
,
Hay là , với w. r = u.
Nếu tính cho một đơn vị trọng lượng chất lỏng (tức ) ta có:
Trong đó:
Plt - lực li tâm tác dụng lên một đơn vị trọng lượng chất lỏng,
w - vận tốc góc của bánh công tác,
r - bán kính quay.
Trong sự xáo trộn 1 kg chất lỏng trên khoảng dr, công nguyên tố của lực li tâm là:
Công của lực li tâm trong chuyển động của 1 kg chất lỏng từ bán kính r1 đến kính r2 của bánh công tác sẽ là:
(2-41)
Thay w. r1 = U1 và w. r2 = U2, công thức (1-38) có dạng:
(2-42)
Giải phương trình (2-40) , đối với sẽ được:
(2-43)
Thay kết quả (2-43) vào phương trình (2-39) ta có:
(2-44)
Sau khi thay các giá trị W12 và W22 từ phương trình (2-35) vào ta được:
(2-45)
Phương trình (2-45) là phương trình cơ bản của bơm li tâm.
Từ (2-45) cho thấy cột áp lý thuyết của bơm với số bản lá vô định sẽ có trị số lớn hơn khi a1 = 900 , ta có:
(2-46)
C2u - hình chiếu của C2 lên phương u2.
Trên thực tế do có sức kháng thuỷ lực ở trong bơm và do số bản lá trong bánh công tác có hạn, nên các phần tử chất lỏng không chuyển động theo đúng những quỹ đạo tính toán. Vì vậy cột áp thực do bơm tạo nên được tính theo công thức:
(2-47)
Trong đó:
htl - hiệu suất thuỷ lực của bơm, phụ thuộc vào cấu tạo bơm, thường có trị số trong khoảng (0,85 ¸ 0,95);
K - Hệ số tổn thất cột áp do các phần tử chất lỏng chuyển động không theo đúng những quỹ đạo tính toán.
Cho rằng hiệu số áp suất giữa hai mặt cắt của bản lá là không đổi theo bề dài thì hệ số K có thể tính bằng công thức của Pfleyder:
(2-48)
Trong đó:
z - số bản lá,
y - hệ số phụ thuộc độ nhám của bánh công tác, theo Giáo sư Lô-ma-kin:
y = (0,55 ¸ 0,65) + 0,6 sinb2 . (2-49)
Đối với những bơm có bộ phận định hướng y = 0,8 ¸ 1,0. Đối với những bơm không có bộ phận định hướng: y = 1,0 ¸ 1,3.
Từ phương trình (2-47) ta thấy rằng cột áp do bánh công tác của bơm tạo nên phụ thuộc vào vận tốc U2 và góc a2.
Vận tốc U2 phụ thuộc vào đường kính của bánh công tác và số vòng quay.
(m/s) ,
Với n - số vòng quay của bánh công tác (v/ph),
D2 - đường kính ngoài của bánh công tác (m).
Thường trong thiết kế bơm người ta chọn:
C2 = 0,75U2; D2 = (1,5 ¸ 2,5)D1 và C1 = (2 ¸ 3)m/s.
2.2.3. Đường đặc tính của bơm li tâm
Các quan hệ H = f1(Q), N = f2(Q), h = f3(Q) biểu thị đặc tính làm việc của bơm, được biểu diễn dưới dạng giải tích gọi là các phương trình đặc tính hoặc biểu diễn bằng các đồ thị gọi là các đường đặc tính của bơm.
Các đường đặc tính được xây dựng nên từ các số liệu tính toán gọi là đường đặc tính tính toán; nếu được xây dựng tà các giá trị đo được qua thí nghiệm gọi là đường đặc tính thực nghiệm
Các đường đặc tính ứng với số vòng quay làm việc không đổi (n = const) gọi là đường đặc tính làm việc và ứng với nhiều số vòng quay khác nhau (n = var) thì gọi là đường đặc tính tổng hợp.
Trong 3 đường đặc tính cột áp, công suất, hiệu suất, quan trọng hơn cả là đường cột áp H = f1(Q), nó cho ta biết khả năng làm việc của bơm, nên còn có tên riêng là đường đặc tính cơ bản. Từ đường đặc tính cơ bản, bằng tính toán có thể suy ra các đường đặc tính N = f2(Q), h = f3(Q).
Công dụng của các đường đặc tính là qua chúng, ta có thể biết được một cách tổng quát các đặc tính làm việc của máy bơm, cho phép ta mở rộng phạm vi làm việc và sử dụng hợp lý các chế độ làm việc khác nhau của bơm.
a) Đường đặc tính lý thuyết
Từ phương trình cơ bản của bơm:
trong đó: c2u = u2 – c2m.cotgb2
và Q = c2m.p.D2.b2
ta có:
(2-48)
Đối với một bơm cho trước thì u2, b2, D2 là những đại lượng không đổi nên phương trình đặc tính cơ bản lý thuyết có dạng:
HT¥ = a – b.cotgb2.Q (2-49)
trong đó a, b là những hằng số dương.
Đường biểu diễn phương trình này gọi là đường đặc tính cơ bản lý thuyết, đó là một đường thẳng không qua gốc tọa độ, hệ số góc của nó tùy thuộc vào trị số góc ra của cánh dẫn b2. Trong trường hợp tổng quát, có ba dạng đường đặc tính lý thuyết được thể hiện như hình 2.5
Hình 2.7: Đường đặc tính cơ bản bơm li tâm
Nếu b2 < 900 thì cotgb2 > 0, ta có đường AD
Nếu b2 = 900 thì cotgb2 = 0, ta có đường AC
Nếu b2 > 900 thì cotgb2 < 0, ta có đường AB
Đối với bơm li tâm thì b2 < 900 , đo đó đường đặc tính lý thuyết của bơm là đường nghịch biến bậc nhất AD
Khi kể tới ảnh hưởng do số cánh dẫn có hạn, đường đặc tính là đoạn A’D’
HT = ez.HT¥
trong đó ez < 1, là hệ số kể tới ảnh hưởng của số cánh dẫn có hạn.
Khi kể tới các loại tổn thất thủy lực của dồng chất lỏng qua bánh công tác, các loại tổn thất này đều tỷ lệ với bình phương của vận tốc, tức cũng là với bình phương của lưu lượng, thì đường đặc tính trở thành một đường cong bậc hai A’’D’’.
Khi kể tới các loại tổn thất cơ khí và lưu lượng thì đường đặc tính dịch về phía trái và thấp hơn một chút so với đường A’’D’’. Đây chính là đường đặc tính tính toán cơ bản của bơm li tâm.
* Đường đặc tính tổng hợp
Mỗi đường đặc tính làm việc được xây dựng với một số vòng quay làm việc không đổi của bơm. Nếu thay đổi số vòng quay làm việc thì đường đặc tính làm việc cũng thay đổi theo. Để biết được nhanh chóng các thông số Q, h, N của bơm thay đổi như thế nào khi số vòng quay làm việc của bơm thay đổi, người ta xây dựng đường đặc tính tổng hợp của bơm.
Đường đặc tính tổng hợp của bơm chính là đường biểu diễn quan hệ Q – H với các số vòng quay làm việc khác nhau của bơm, trên đó những điểm làm việc cùng hiệu suất được nối với nhau thành những đường cong gọi là đường cùng hiệu suất.
Để xây dựng đường đặc tính tổng hợp, cần phải có các đường đặc tính làm việc ứng với nhiều số vòng quay khác nhau của bơm
2.2.4. Điểm làm việc và sự điều chỉnh của bơm li tâm
2.2.5. Ghép bơm li tâm
Ghép bơm trong một hệ thống làm việc nhằm tăng thêm lưu lượng hoặc cột áp cho phù hợp với yêu cầu thực tế khi dùng một bơm chưa đủ phục vụ. Có hai cách ghép bơm đó là ghép song song và ghép nối tiếp được thực hiện như sau:
+ Có thể ghép bơm song song để tăng lưu lượng trong hệ thống làm việc nếu chúng có cùng một cột áp:
H1 = H1 = …= Hi
Đường đặc tính chung của các bơm ghép song song (H - Qc) trong hệ thống được xây dựng bằng cách cộng các lưu lượng riêng của từng bơm ghép với cùng một cột áp.
Tuy nhiên tổng lưu lượng của các bơm ghép song song trong hệ thống thường nhỏ hơn tổng lưu lượng của các bơm khi chúng làm việc riêng biệt trong hệ thống đó.
Kết quả nghiên cứu ghép bơm song song cho thấy:
- Nên ghép các bơm có đường đặc tính gần giống nhau hoặc như nhau để điều chỉnh điểm làm việc của hệ thống bơm ghép được thuận lợi.
- Nói chung ghép bơm song song sẽ đạt hiệu quả cao nếu đường đặc tính của các bơm ghép và đường đặc tính của lưới đều thoải. Hay nói cách khác là cách ghép này chỉ thích hợp khi trong hệ thống bơm có cột áp H thay đổi ít, còn lưu lượng thay đổi tương đối lớn.
- Để xác định số lượng các bơm ghép song song cần căn cứ đường đặc tính chung của các bơm ghép và đường đặc tính lưới, nếu ghép song song nhiều bơm quá thì hiệu quả thấp, không kinh tế.
Do đó trong điều kiện cho phép có thể chọn loại bơm khác có lưu lượng lớn phù hợp với yêu cầu làm việc của hệ thống.
+ Ghép nối tiếp các bơm:
Khi cột áp yêu cầu trong hệ thống lớn hơn cột áp của một bơm thì người ta ghép các bơm nối tiếp. Trong trường hợp này các bơm ghép phải có lưu lượng bằng nhau:
Q1 = Q1 = … = Qi ,
Cột áp làm việc của hệ thống ghép nối tiếp bơm bằng tổng cột áp của các bơm ghép.
Hc = H1 + H2 + … + Hi .
Đường đặc tính chung của các bơm ghép (Hc – Q) được xây dựng bằng cách cộng các cột áp của riêng từng bơm ghép với cùng một lưu lượng. Giao điểm của đường đặc tính chung (Hc – Q) và đường đặc tính lưới (Hlưới – Q) là điểm làm việc của các bơm ghép trong hệ thống.
Để có hiệu quả cao khi ghép nối tiếp nên chọn bơm và hệ thống có đường đặc tính dốc. Nếu ghép hai bơm nối tiếp liền nhau thì bơm sau (bơm 2) phải làm việc với áp suất cao hơn bơm trưóc (bơm 1). Do đó cần phải chọn điểm đặt bơm 2 trên đường ống đấy của bơm 1 đảm bảo sao cho an toàn.
Tuy nhiên ghép nối tiếp bơm trong một hệ thống là tương đối phức tạp và thường không kinh tế, vì vậy phương pháp này chỉ nên dùng khi không thể chọn được một bơm có đủ cột áp làm việc theo yêu cầu.
2.3. Bơm hướng trục
2.3.1. Khái niệm chung
Bơm hướng trục thuộc loại bơm cánh dẫn được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp và công nghiệp nhẹ.
Đặc điểm cơ bản của bơm hướng trục là số vòng quay đặc trưng (ns) lớn, lưu lượng lớn và cột áp nhỏ.
Các thông số này thường có giới hạn trong khoảng:
ns = 600 ¸ 1200 vòng /phút,
Q = 0,1 ¸ 25 m3/s,
H = 2 ¸ 20 m cột nước.
So với bơm ly tâm, trong phạm vi sử dụng cho phép, khi ns > 600 thì dùng bơm hướng trục có lợi hơn vì hiệu suất của nó tương đối cao và ổn định.
Bơm hướng trục có kết cấu đơn giản (hình 2-6) gồm các bộ phận chính sau đây: Bánh công tác 1, trục bơm 2, bộ phận dẫn hướng 3 và vỏ (thân) bơm 4. Bánh công tác hình khối trụ được gắn liền với trục. Trên bánh công tác có gắn các cánh dẫn mặt cong, phân bố đều xung quanh. Số cánh dẫn trên mỗi bánh công tác có thể có từ 2 đến 6.
Vỏ (thân) bơm hình trụ rỗng, phía trong có gắn các cánh dẫn hướng và bộ phận ổ đỡ trục. Phần trên của thân bơm được uốn cong để tiện nối tiếp trục bơm với động cơ và đảm bảo dẫn chất lỏng qua bơm được êm thuận.
2.3.2. Nguyên lý làm việc của bơm hướng trục
Trong bơm hướng trục chất lỏng chuyển động không thẳng góc với trục bơm mà chuyển động song song với trục bơm, đồng thời tham gia chuyển động quay cùng với bánh công tác. Như vậy mỗi phần tử chất lỏng bị cánh dẫn đẩy khi quay tròn sẽ chuyển động theo quỹ đạo "xoắn ốc" dọc theo trục hướng từ dưới lên.
Dòng "xoắn ốc" là nguyên nhân chính gây nên tổn thất năng lượng khá lớn khi chất lỏng chuyển động qua bơm. Để dòng chảy trở nên song song với trục, người ta dùng bộ phận dẫn hướng để 'khử" thành phần chuyển động quay của dòng chảy. Mặt khác góc độ bố trí và hình dạng cánh dẫn hướng phải đảm bảo sao cho phù hợp với dòng chảy sau bánh công tác.
Cột áp lý thuyết do bánh công tác của bơm hướng trục tạo nên có thể xác định theo phương trình cơ bản (2-44) của bơm lý tâm:
Vì vận tốc vòng ở lối vào và lối ra của bánh công tác như nhau, tức là:
U1 = U2 = U,
nên ta có: (2-50)
Với a1 = 900, phương trình cơ bản viết cho bơm hướng trục là:
(2-51)
Trở lại phương trình (2-39), ta có:
(2-52)
Từ (2-52) ta thấy cột áp của bơm hướng trục không có thành phần do lực ly tâm tạo ra mà nó được hợp thành bởi sự chênh lệch về trị số của các vận tốc tương đối và tuyệt đối ở lối ra và lối vào của bánh công tác.
Do đó ta có được một số nhận xét sau:
- Cột áp của bơm hướng trục bị hạn chế (không thể bằng cột áp của bơm ly tâm).
- Thành phần vận tốc tương đối W trong bơm hướng trục có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì nó là yếu tố tạo nên cột áp tĩnh của bơm (do độ mở rộng các máng dẫn của bánh công tác, W1 > W2):
Khác với bơm ly tâm (W1 » W2), trong bơm hướng trục ta cần có W1 >> W2. Tuy nhiên, để giảm bớt tổn thất phụ do lực quán tính của dòng chảy qua máng dẫn có vận tốc thay đổi lớn thì các cánh dẫn của bơm hướng trục cần được gia công chính xác với độ nhẵn bề mặt cao (Ñ5 ¸ Ñ7).
- Từ phương trình cơ bản (2-51) cho thấy dòng chất lỏng qua bánh công tác được ổn định khi cột áp của mỗi dòng nguyên tố chất lỏng được tạo nên bởi cánh dẫn ở mọi vị trí đều như nhau, tức là:
,
Hay là khi U.C2u = const (2-53)
Từ các tam giác vận tốc của bơm hướng trục (hình 2-6), ta có:
C2u = U - Ct. cotgb2,
U = Ct. cotgb1,
với Ct = C1 : là thành phần vận tốc hướng trục của dòng chất lỏng qua bơm.
Do đó: C2u = Ct. (cotg b1 - cotg b2) (2-54)
Thay (2-56) vào (2-51) ta có:
Hoặc: (2-55)
Đối với một bơm nhất định khi n = const thì Ct = const.
Do đó:
Vậy điều kiện (2-53) được đảm bảo khi: R.(cotg b1 - cotg b2) = const
Ở đây b1 và b2 không phải cố định mà thay đổi theo bán kính (R) và cần phải có b2 > b1, tức là góc ra lớn hơn góc vào và mặt cánh dẫn là mặt cong theo ba chiều trong không gian.
Lưu lượng của bơm hướng trục được xác định theo công thức:
Q = Ct. p.(R2 - r2) (2-56)
Trong đó: R - bán kính ngoài của bánh công tác.
r - bán kính trong (bán kính bầu) của bánh công tác.
Ct - là vận tốc hướng trục của dòng chất lỏng qua bơm, tính gần đúng theo công thức:
(2-57)
Với: H - là cột áp toàn phần của bơm,
ns - số vòng quay đặc trưng của bơm.
2.4. Tua bin thuỷ lực
2.4.1. Phân loại và nguyên lý hoạt động của tua bin thuỷ lực
Tua bin thuỷ lực là loại động cơ thuỷ lực dùng để biến năng lượng của dòng chảy thành cơ năng kéo máy phát điện. Trong nhà máy thuỷ điện, TBTL là một thiết bị cơ bản và có vai trò đặc biệt quan trọng. Khi dòng chảy tác động vào bánh công tác của tua bin thì năng lượng đơn vị mà dòng chảy truyền được cho bánh công tác chính là cột áp làm việc của tua bin (H0), ta có:
(2-58)
có thể biểu thị:
H0 = Ht + Hd (2-59)
Trong đó: là thế năng
là động năng.
Dựa vào thành phần Hd và Ht mà người ta phân tua bin thành hai loại: Tua bin phản lực và tua bin xung lực.
- Tua bin phản lực:
Nếu tua bin làm việc với Ht > 0, (tức áp suất của dòng chảy ở lối vào bánh công tác lớn hơn ở lối ra) thì ta có tua bin phản lực. Dòng chảy qua bánh công tác là dòng liên tục điền đầy toàn bộ các máng dẫn; đồng thời dòng chảy biến đổi cả về động năng và thế năng.
Trong tua bin phản lực, chuyển động tương đối của dòng chảy qua các máng dẫn là chuyển động nhanh dần nên áp suất của dòng chảy giảm dần, gây ra trên mặt cánh dẫn áp suất phản lực, tác dụng lên các cánh dẫn làm cho bánh công tác quay.
Để biểu thị mức độ phản lực trong tua bin, người ta xét tỷ số là hệ số phản lực. Nếu e = 1, thì khi đó tua bin được gọi là phản lực toàn phần và thế năng (Ht) càng lớn thì năng lượng mà bánh công tác nhận được ở dòng chảy càng lớn và ngược lại.
Ta biết rằng các thành phần Hd và Ht trong tua bin đều phụ thuộc vào kết cấu của bộ phận dẫn hướng của bánh công tác và ống hút. Do đó đối với tua bin phản lực được thiết kế cần đảm bảo sao cho tỷ lệ tương quan giữa Hd và Ht là thích hợp nhất.
- Tua bin xung lực.
Là loại tua bin chỉ nhận năng lượng của dòng chảy dưới dạng động năng Hd (do áp suất ở lối vào và lối ra của bánh công tác đều bằng áp suất khí trời). Trong tua bin xung lực, năng lượng của dòng chảy được biến thành động năng nhờ một bộ phận gọi là mũi phun. Mũi phun tạo nên dòng tia có vận tốc lớn đập vào các cánh dẫn của bánh công tác. Nhờ xung lực của dòng tia trên các cánh dẫn làm cho bánh công tác quay. Do đó tua bin xung lực còn được gọi là tua bin dòng tia tự do.
Nói chung tính năng và phạm vi sử dụng của hai loại tua bin giới thiệu ở trên là khác nhau.
Thông thường tua bin phản lực dùng với cột nước thấp, trung bình và lưu lượng lớn; còn tua bin xung lực dùng với cột nước cao và lưu lượng tương đối nhỏ.
Tuy nhiên mỗi loại tua bin lại có nhiều kiểu khác nhau với phạm vi sử dụng khác nhau để ứng dụng cho từng điều kiện cụ thể. Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu một số kiểu tua bin thông dụng.
2.4.2. Tua bin phản lực
a) Kết cấu và phân loại
Xét sơ đồ cấu tạo (hình 2-10) của tua bin phản lực gồm: buồng tua bin 1, bộ phận dẫn hướng 2, bánh công tác cùng các cánh dẫn 3, ống hút 4, cần xoay của xi lanh lực 5.
Hình 2.10
Tua bin làm việc như sau: Nước từ buồng tua bin 1 chảy qua bộ phận dẫn hướng 2, vào bánh công tác 3. Buồng tua bin có tác dụng tạo nên dòng chảy đối xứng qua trục ở lối vào của bộ phận dẫn hướng. Bộ phận dẫn hướng gồm hệ thống cánh dẫn phân bố đều xung quanh bánh công tác. Buồng tua bin và bộ phận dẫn hướng có tác dụng hướng dòng chảy vào các máng dẫn của bánh công tác một cách điều hoà, ổn định và êm thuận. Ngoài ra bộ phận dẫn hướng còn được dùng để điều chỉnh lưu lượng và công suất của tua bin. Buồng tua bin có kiểu kín và kiểu hở, trên hình 2-8 buồng tua bin kiểu hở. Để điều chỉnh lưu lượng dòng nước chảy vào tua bin thì người ta có thể xoay các cánh dẫn hướng xung quanh trục của nó đến góc độ cần thiết. Trục cánh dẫn hướng 2 nối liền với vành xoay và được điều khiển bỡi hai cần xoay của xi lanh lực 5.
Cần xi lanh lực được chuyển động nhờ một hệ thống điều khiển tự động, làm thay đổi độ mở của cánh dẫn. Cùng lúc lưu lượng và góc độ chuyển động của dòng chảy vào bánh công tác 3 cũng thay đổi.
Dòng chảy sau khi ra khỏi bánh công tác, theo ống hút 4 thoát ra hạ lưu. Ống hút có thiết diện mặt cắt lớn dần là để giảm tổn thất động năng của dòng chảy và tận dụng được chiều cao hút Hs đối với các tua bin bố trí trên mực nước hạ lưu.
Dựa theo kết cấu, hình dạng và chuyển động của chất lỏng qua bánh công tác, người ta chia tua bin thành các loại: hướng tâm, ly tâm, hướng trục và tâm trục. Trong đó các loại tua bin tâm trục và hướng trục được sử dụng phổ biến hơn vì chúng có kết cấu gọn và tính năng kỹ thuật cao.
Tua bin tâm trục (hình 2-11) có các bộ phận chủ yếu sau: bánh công tác cùng các cánh dẫn 1, bộ phận dẫn hướng 2 và các bản lá dẫn động 3, nắp của tua bin 4, trục tua bin 5, ống hút 6. Trong tua bin tâm trục dòng chảy bắt đầu vào bánh công tác theo hướng tâm rồi sau đó chuyển dần sang hướng trục.
Hình 2-11 Hình 2-12
Tua bin hướng trục có bánh công tác giống như bánh công tác của bơm hướng trục, và thường được gọi là tua bin mái chèo (hình 2-12). Trong tua bin hướng trục, dòng chảy qua bánh công tác theo hướng trục.
Như vậy tên của các loại tua bin này được đặt theo hướng chuyển động của dòng chảy khi qua bánh công tác của tua bin.
b) Tính các thông số của tua bin phản lực
- Công suất của dòng chảy truyền cho tua bin.
(2-60)
- Công suất làm việc (trên trục) của tua bin, vì một phần công suất đã tiêu hao do tổn thất khi tua bin làm việc. Do đó công suất của tua bin là:
(2-61)
Hoặc: (KW) (2-62)
Trong đó:
h = 0,65 ¸ 0,70, đối với trạm thuỷ điện (tổ máy) có công suất bé,
h = 0,75 ¸ 0,80, đối với trạm thuỷ điện (tổ máy) có công suất lớn.
Q tính bằng (m3/s), H0 tính bằng (m)
* Cần lưu ý rằng H0 cũng tính được từ phương trình cơ bản của máy thuỷ lực cánh dẫn, trong chế độ làm việc tối ưu ta có:
(2-63)
Phương trình (2-63) biểu thị sự liện hệ giữa cột áp làm việc với các thông số động học và hình học của bánh công tác, gọi là phương trình cơ bản của tua bin.
Để phân loại và lựa chọn tua bin, người ta dùng số vòng quay đặc trưng ns, xác định theo công thức:
(2-64)
Trong đó:
n - số vòng quay của tua bin, (v/ph),
N - Công suất làm việc của tua bin, (KW),
H0 - cột nước làm việc của tua bin, (m).
Đối với tua bin tâm trục:
- Loại quay chậm: ns = (60 ¸ 200)
- Loại quay nhanh: ns = (200 ¸ 400).
Ngoài ra cần biết là trong tua bin phản lực cũng có hiện tượng xâm thực, có thể làm giảm hiệu suất, phá hỏng bánh công tác và các bộ phận làm việc khác.
Để ngăn ngừa hiện tượng xâm thực trong tua bin, trước hết cần thoả mãn điều kiện sau:
(2-65)
Trong đó:
Zh - chiều cao hút của tua bin, (tính bằng m),
[Zh] - chiều cao hút cho phép, (m),
Ñ - Độ cao nơi đặt tua bin so với mực nước biển, (m),
s - hệ số xâm thực của tua bin, được xác định bằng thực nghiệm.
Bảng 2-1 ghi các trị số của s phụ thuộc ns ứng với từng trường hợp tua bin làm việc với lưu lượng và số vòng quay tối đa.
Bảng 2-1: Các trị số của s phụ thuộc ns
100
200
300
400
500
600
650
0,06
0,14
0,40
0,75
1,20
1,60
1,90
c) Cách bố trí tua bin trong nhà máy thuỷ điện
Nói chung các nhà máy thuỷ điện có tua bin thuỷ lực cỡ trung bình trở lên thường được bố trí trục thẳng đứng (hình 2-11). Cách bố trí này có các ưu điểm sau:
- Lắp đặt dễ, thuận tiện khi thay thế sửa chữa.
- Đơn giản hơn về chế tạo cơ khí, nhất là các bộ phận ổ trục.
- Mặt bằng nhà máy được giảm nhiều do máy phát điện đặt ở trên tua bin. Việc bố trí các bộ phận như buồng tua bin, ống hút ra cũng rất thuận tiện và đơn giản.
Tua bin phản lực còn có các kiểu trục ngang hoặc xiên. Hiện nay người ta chú ý nghiên cứu nhiều về loại tua bin trục ngang kiểu "kén nhộng" (hình 2-13).
Tổ máy tua bin kiểu "kén nhộng" gồm: bánh công tác tua bin hướng trục 1, bộ phận dẫn hướng 2, máy phát 3 và các cơ cấu điều chỉnh tự động...., được bố trí trong một vỏ bằng thép hình "kén nhộng" đặt chìm trong nước theo phương của dòng chảy. Dòng chảy qua tua bin không có chỗ ngoặt nên khả năng lưu thông chất lỏng lớn hơn nhiều so với tua bin trục đứng có cùng kích thước và cột nước.
Hình 2-13
Nói chung khi cùng một công suất thì tua bin "kén nhộng" có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn tua bin trục đứng, nhưng chế tạo loại tua bin này lại khó hơn vì:
- Việc làm kín phức tạp, tháo lắp và sửa chữa khó khăn.
- Đòi hỏi chế tạo và lắp ghép đảm bảo độ chính xác cao, nhất là bộ phận dẫn hướng 2 có cánh dẫn đặt nghiêng.
Hiện nay loại tua bin này vẫn được tiếp tục nghiên cứu để ứng dụng cho những trường hợp riêng.
2.4.3. Tua bin xung lực
c) Kết cấu và phân loại
Tua bin xung lực kiểu đơn giản nhất đã có từ rất lâu nhưng mãi đến cuối thế kỷ thứ 19 mới xuất hiện các loại tua bin xung lực hiện đại.
Nguyên lý làm việc của tua bin xung lực là biến thế năng của dòng chảy thành động năng bằng cách nhờ các mũi phun tạo nên dòng tia có vận tốc lớn và hướng dòng tia tác động vào các cánh dẫn của bánh công tác.
Như vậy tua bin xung lực có hai bộ phận chính là mũi phun và bánh công tác.
Tua bin xung lực thường được ứng dụng khi có cột nước cao và lưu lượng nhỏ, nó phải đặt cao hơn mực nước hạ lưu nên không thể sử dụng hết cột nước của trạm như các tua bin phản lực.
Theo kết cấu và phạm vi sử dụng, tua bin xung lực được phân làm ba loại: Tua bin xung kích hai lần, tua bin phun nghiêng và tua bin gáo.
* Tua bin xung kích hai lần do Ban ki (người Hung-ga-ri) sáng chế ra năm 1917 nên được gọi là tua bin Ban ki (hình 2-14)
Hình 2-14
Tua bin Ban ki thường được dùng với công suất N = 1 ¸ 50 KW và cột nước H = 24 ¸ 100 m, có hiệu suất h = 0,60 ¸ 0,87. Loại tua bin này có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, có thể làm bằng các vật liệu sẵn có, rẻ tiền như gỗ, tôn,... nên thường được dùng cho các trạm thuỷ điện nhỏ, đơn sơ ở miền núi, nông thôn.
Hình 2-15
* Tua bin phun nghiêng (hình 2-15) có bánh công tác làm bằng kim loại gồm các bản cánh mặt cong phức tạp hàn (hoặc đúc liền) với vành trong và vành ngoài của bánh công tác. Mũi phun có mặt tròn hình nón cụt thu hẹp. Trục của mũi phun bố trí nghiêng với trục của bánh công tác một góc khoảng 22,50. Sở dĩ cần có góc nghiêng này vì mũi phun phải hướng dòng tia vào các bản cánh, gây nên xung lực làm cho bánh công tác quay.
* Tua bin gáo còn gọi là tua bin Pentôn (hình 2-16) có tính năng kỹ thuật cao hơn và phạm vi sử dụng rộng rãi hơn hai loại tua bin xung lực trên. Nó thường được dùng với cột nước H = 200 ¸ 2000 m, cá biệt có thể lớn hơn và công suất từ vài trăm KW đến hàng chục nghìn KW.
Kết cấu của tua bin gáo tương tự như tua bin phun nghiêng nhưng có khác là:
- Vòi phun đặt thẳng góc với trục của bánh công tác (theo hướng quay của bánh công tác).
- Bánh công tác gồm có một đĩa tròn, phần giữa là may ơ lắp trên trục, phần ngoài có gắn các bản cánh mặt cong hình gáo phân bố đều theo chu vi.
- Tua bin gáo thường có từ 1 ¸ 4 mũi phun. Đối với tua bin gáo có công suất lớn thì mũi phun có thể nhiều hơn cốt để giảm đường kính bánh công tác và tăng số vòng quay của tua bin. Việc điều chỉnh lưu lượng của mũi phun trong tua bin gáo giống như trong tua bin phun nghiêng.
Hình 2-16
Đặc điểm chung của tua bin xung lực là dòng tia chỉ tác động trên một phần của bánh công tác và kích thước của bánh công tác tương đối lớn so với tua bin phản lực cùng công suất. Để giảm kích thước của bánh công tác và tận dụng hết khả năng làm việc của nó, gần đây người ta đã phát minh ra nhiều kiểu tua bin xung lực mới, trong đó dòng tia được bố trí trên toàn bộ chu vi của bánh công tác. Tuy nhiên việc chế tạo các loại tua bin này là phức tạp, giá thành cao, do đó chúng chỉ được áp dụng đối với trường hợp có công suất lớn.
b) Tính các thông số của tua bin xung lực.
* Cột áp và công suất.
- Cột áp H của nhà máy thuỷ điện là:
H = Zt - Zh,
Zt, Zh - mực nước thượng lưu và hạ lưu.
- Cột nước làm việc của tua bin:
H0 = H - Sh - DH.
Trong đó:
Sh - tổn thất cột nước ở ống dẫn,
DH - khoảng cách từ mặt nước hạ lưu đến mặt cánh dẫn làm việc.
Mặt khác, theo (6-1) ta có:
Ở đây ta thấy:
- Vận tốc của dòng chảy ở lối ra cánh dẫn xem như bằng không (C2 = 0)
- Áp suất của dòng chảy ở lối ra: P2 = Pa,
- Áp suất ở lối vào mũi phun: P1 = PM1 + Pa + g.a
(PM1 - áp suất chỉ của áp kế, a - chiều cao tính từ vị trí đo áp suất đến áp kế)
Vậy: (2-66)
Sau khi xác định được cột áp H0, ta có thể tính công suất làm việc của tua bin theo công thức:
N = 9,81. h. Q. H0 (KW) (2-67)
Với Q - tính bằng m3/s; H0 (m)
* Vận tốc dòng tia và số vòng quay của tua bin
Nếu tổn thất cột áp ở bộ phận cổ góp (trước mũi phun) là DHK thì cột áp làm việc của mũi phun (Hm) được tính:
Hm = H0 - DHk (2-68)
Động năng dòng tia ở mũi phun là:
(2-69)
Trong đó: C - vận tốc dòng tia.
hm - hiệu suất mũi phun
Từ (2-69) ta xác định được vận tốc của dòng tia
(2-70)
(Đây chính là công thức Tôrixeli tính vận tốc dòng tia qua lỗ, vòi dưới cột áp không đổi)
Gọi - là hệ số vận tốc mũi phun, ta thấy hm phụ thuộc vào j, tức là phụ thuộc vào hình dạng mặt cắt và kết cấu mũi phun.
hm = j2 (2-71)
Thường hm = 0,95 ¸ 0,98
Mặt cắt mũi phun của tua bin gáo, tua bin phun nghiêng là hình tròn, còn của tua bin đơn giản (xung kích hai lần) là hình chữ nhật.
- Vận tốc dòng tia (C) có liên quan đến vận tốc quay của bánh công tác (u): (2-72)
y - hệ số vận tốc quay của bánh công tác.
Đối với tua bin gáo, jtối ưu = 0,5.
Số vòng quay n của tua bin:
(v/ph) (2-73)
D - là đường kính bánh công tác.
2.4. 4. Một số điểm cần chú ý khi chọn tua bin
Xuất phát từ sự so sánh các đường đặc tính làm việc h = f(N) và h = f(Q) của tua bin, người ta có kết luận:
- Trong cùng điều kiện làm việc, tua bin phản lực quay nhanh hơn tua bin xung lực (6 ¸ 7) lần nhưng kích thước, trọng lượng lại nhỏ hơn nhiều.
- Tua bin phản lực làm việc với hiệu suất cao trong phạm vi rất hẹp nên khi thay đổi lưu lượng và công suất khác với công suất định mức (thậm chí không nhiều lắm) thì hiệu suất của tua bin cũng bị giảm đáng kể.
Ngược lại khoảng làm việc của tua bin xung lực rộng hơn nhiều, công suất và lưu lượng có thể thay đổi trong phạm vi tương đối lớn nhưng hiệu suất giảm không đáng kể.
Vì vậy khi chọn tua bin cho nhà máy thuỷ điện phải xét đến các điều kiện cụ thể như: tính chất phụ tải (công suất lưới điện), chế độ dòng chảy, khả năng điều tiết lưu lượng...
Thực tế cho thấy với cột nước thấp và lưu lượng lớn, nhà máy thuỷ điện thường làm việc hết công suất, phụ tải thay đổi ít thì dùng tua bin phản lực là kinh tế. Trong trường hợp cột nước cao, lưu lượng nhỏ và công suất phụ tải của nhà máy thuỷ điện (hoặc lưu lượng) thay đổi nhiều thì dùng tua bin xung lực thường hiệu quả hơn.
Bạn đang đọc truyện trên: Truyen2U.Pro