Tua bin nước (tua bin thủy lực)

Chủ đề
TUABIN NƯỚC


Phần 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TUABIN
THỦY LỰC

20 20


1.1
Tuabin nước
và sự phát
triển của nó

Tuabin nước (Tuabin thủy lực) là một trong những thiết bị chủ yếu của Trạm Thủy
Điện, được dùng để biến đổi năng lượng dòng nước (thủy năng) thành cơ năng làm
quay máy phát điện. Tổ hợp tuabin và máy phát đện gọi là tổ máy phát điện thủy lực.
Nó có hàng loạt các ưu điểm sau:
• Hiệu suất của tổ máy phát điện thủy lực có thể đạt rất cao so với tổ máy nhiệt điện.
• Thiết bị đơn giản, dễ tự động hố, có thể điều khiển từ xa.
• Ít sự cố và cần ít người vận hành.
• Có khả năng làm việc ở phần phụ tải thay đổi.
• Thời gian mở máy và thời gian dừng máy ngắn.
• Khơng làm ơ nhiễm mơi trường.
Động cơ nước đầu tiên làm việc theo nguyên lý tác dụng phản kích của dịng nước do
Beckeca người Anh (1745) và Xênhêra người Hung ga ri (1750) sáng chế. Kết cấu của
loại động cơ này rất cịn thơ sơ nên hiêu suất rất thấp (khoảng 35-40%).


1.1. Tuabin nước và sự phát triển của nó

Đến năm 1826 một giáo sư người Pháp tên là Budena đã tìm ra một loại
động cơ nước mới, được gọi là tuabin, tiếng La tinh, Tuabinens có nghĩa là
các động cơ dạng xoắn ốc. Loại động cơ này cũng có đầy đủ các bộ phận
như các bộ phận của các tuabin phản kích thường dùng hiện nay. Nhưng
hình dạng cánh bánh xe cơng tác cịn q thơ sơ và hiệu suất thấp nên
vẫn chưa được ứng dụng trong thực tế. Trên cơ sở tiếp tục cải tiến tuabin
của mình, khoảng thời gian 1827 – 1834 Budena đã sáng chế ra loại tuabin
li tâm (hình 1.1a) có bộ phận hướng nước của tuabin gồm các cánh hướng
nước cố định vòng quanh BXCT. Lưu lượng được điều chỉnh nhờ van hình
trụ đặt giữa bộ phận hướng nước và BXCT.
Tuabin nước được chế tạo đầu tiên ở Liên Xơ (1837) do U.E.Xaphơnơ sáng
chế, đó cũng là loại tuabin phản kích li tâm với các cánh hướng nước cố
định. So với các kiểu tuabin nói trên, tuabin của Xaphơnơ có hiệu suất và
tốc độ cao so với điều kiện sản xuất lúc bấy giờ (khoảng 70%).
Tuabin tâm trục do kỹ sư Frăngxit (người Pháp) chế tạo năm 1830. Cùng
với việc nghiên cứu phát minh loại tuabin phản kích, năm 1880 Pentơn đã
sáng chế ra tuabin xung kích.
Đến năm 1900 bộ phận hướng nước của tuabin này được cải tiến thành vòi
phun và van kim giống như tuabin gáo ngày nay.
Tuabin cánh quạt xuất hiện năm 1918, đến năm 1919 tuabin cánh quay ra
đời (do kỹ sư Kaplan (người Mỹ) tìm ra). Đồng thời năm 1918 tuabin xung
kích 2 lần do Bunki (người Hung ga ri) phát minh. Còn tuabin cánh chéo
mãi đến năm 1950 mới xuất hiện (do giáo sư Liên Xơ V.C.Kvalopki) sáng
chế, nó là loại trung gian giữa tua bin tâm trục và cánh quay

Hình 1.1a
Tuabin ly tâm của Budena

Hình 1.1b
Tuabin Pentơn

1.2. Phân loại Tuabin
1.2.1. Tuabin phản
kích
Tuabin phản kích là hệ tuabin được sử dụng rộng rãi
nhất với phạm vi cột nước từ 1,5m đến 500m. Nó
chuyển động do phản lực (lực phản tác dụng) của dòng
nước lên cánh bánh xe cơng tác hình thành mơmen
quay của bánh xe cơng tác làm cho tuabin quay. Trong
quá trình làm việc bánh xe cơng tác ngập tồn bộ trong
dịng chảy áp lực vì thế nên cịn gọi là dịng phun có
áp.
Theo sự khác nhau về hướng chảy của chất điểm dòng
chảy trong bánh xe cơng tác có thể chia tuabin phản
kích thường dùng ra làm ba loại: tuabin hướng trục
(hình1-2a, 1-2d), tuabin tâm trục (hình1-2c) và tuabin
cánh chéo (hình1-2b).

Hình 1-2: Sơ đồ các phần qua nước của tuabin
phản kích.
a) Hướng trục trục đứng;
b) Cánh chéo;
c) Tâm trục;
d) Hướng trục trục ngang;
e) Gáo


1.2. Phân loại Tuabin
1.2.1. Tuabin phản

kích
a. Tuabin tâm trục (1-3c ) Đặc điểm của tuabin tâm trục là dòng nước chảy vào
bánh xe công tác theo mặt nằm ngang thẳng góc với trục sau đó đổi hướng
dịng chảy song song với trục và ra khỏi BXCT. Tuabin còn được gọi là tuabin
Franxit, nó được sử dụng ở các TTĐ có cột nước cao H = 30 - 500m.
b. Tuabin hướng trục(1-3a,d) : Tuỳ theo đặc điểm về cấu tạo và phương thức
lắp trục, tuabin hướng trục có thể chia thành: Kiểu cánh quạt, kiểu cánh quay
và kiểu chảy thẳng.
Kiểu cánh quạt và kiểu cánh quay có dịng chảy vào và dòng chảy ra khỏi
BXCT song song với trục tuabin. Chỉ khác nhau ở chỗ: tuabin cánh quạt thì
cánh tuabin được gắn chặt với bầu BXCT còn ở tuabin cánh quay thì cánh
tuabin có thể quay quanh trục cánh. Loại tuabin này thích hợp với cột nước
thấp từ 3 - 40m (cá biệt có cột nước H tới 80m). Do đặc tính cơng tác kém nên
tuabin cánh quạt thường dùng cho TTĐ nhỏ cịn tuabin cánh quay có hiệu suất
cao trong phạm vi điều chỉnh vòng nên được sử dụng với các TTĐ lớn và trung
bình.
Đối với tuabin chảy thẳng thường sử dụng phương thức lắp trục ngang và có
năng lượng tương đối tốt ở những TTĐ có cột nước thấp, do đó trong tương lai
sẽ được áp dụng rộng rãi để khai thác năng lượng thủy triều.
c. Tuabin hướng chéo(1-3b): Đây là loại tuabin được kết hợp giữa tuabin tâm
trục và tuabin cánh quay. Loại này được sử dụng trong phạm vi H = 30 - 150m.

Hình 1-3: Sơ đồ các phần qua nước của tuabin
phản kích.
a) Hướng trục trục đứng;
b) Cánh chéo;
c) Tâm trục;
d) Hướng trục trục ngang;
e) Gáo

1.2. Phân loại Tuabin
1.2.2. Tuabin xung
kích
Tuabin xung kích gồm các kiểu chủ yếu sau:
• Tuabin gáo
• Tuabin tia nghiêng
• Tuabin xung kích hai lần
a. Tuabin

gáo (hình1-4)
Tuabin gáo là loại tuabin xung kích có tính năng cơng tác tốt nhất và được sử dụng
nhiều nhất với các loại TTĐ và vừa có cột nước cao (từ 300 - 2000m) và lưu lượng
nhỏ. Ở nước ta TTĐ Đa Nhim dùng tuabin gáo có H = 800m và cơng suất một tổ máy
N = 40MW.
b. Tuabin tia nghiêng (hình 1-3a)
Tuabin này có trục tia nước tạo với mặt phẳng BXCT một góc nghiêng. Loại này hiện
nay hầu như khơng cịn sử dụng nữa vì hiệu suất và tính năng làm việc kém.
c.Tuabin xung kích hai lần (hình 1-5)
Với tuabin nay dịng chảy hai lần tác động lên cánh bánh xe công tác. Tuabin này
thường được dùng cho các TTĐ cỡ nhỏ có N = 5 - 100KW.
Trong tất cả các loại tuabin hiện tại trên, ngày nay được sử dụng rộng rãi nhất và có
lịch sử lâu dài nhất là:
Tuabin gáo dùng với cột nước cao (200 - 2000m)
Tuabin tâm trục dùng với TTĐ có cột nước vừa (30 - 700m)

1. Vịi phun; 2. Cánh BXCT;
3. Miệng phun; 4. Van kim; 5. Vỏ
máy

Hình 1.4: Turrbin gáo


1.3. Khái quát về cấu tạo Tuabin
1.3.1. Cấu tạo của Tuabin phản kích
Tuabin phản kích gồm có hệ tuabin tâm trục, cánh quay và cánh quạt, BXCT của tuabin phản kích làm việc trong mơi trường
chất lỏng liên tục và áp lực nước ở phía trước BXCT thường lớn hơn phía sau của nó. Xét về mặt cấu tạo, bất kì một hệ tuabin
phản kích nào cũng gồm những bộ phận chính sau đây: Buồng tuabin, stato, bộ phận hướng nước (BPHN), BXCT, buồng
BXCT, ống hút, trục, ổ trục và các thiết bị phụ của nó.
a. Tuabin tâm trục

Chiều dịng nước lúc chảy vào BXCT tuabin tâm trục là hướng tâm (thẳng góc với trục quay) cịn chảy ra
khỏi BXCT thì theo hướng trục bởi thế hệ tuabin này gọi là tâm trục (ở một số nước còn gọi là tuabin
Franxit). Phạm vi sử dụng cột nước của tuabin này từ 30 - 550m.


1.3.1. Cấu tạo của Tubin phản kích
Buồng tuabin
Buồng tuabin có tác dụng dẫn nước đều đặn
vòng quanh bộ phận hướng nước của tuabin,
gồm các kiểu: hở, chính diện, xoắn bê tơng và
xoắn kim loại. Buồng hở có cấu tạo đơn giản,
thường được dùng ở các TTĐ có cột nước H <
10m, đường kính D1 < 1,6m. Cịn đối với các
tuabin có kích thước và cột nước lớn hơn thì
BXCT khơng bố trí trong buồng hở mà trong
buồng kín có mặt bằng hính xoắn ốc (cịn gọi là
buồng xoắn)
Bộ phận hướng nước hay bộ phận dẫn dòng
Sau khi qua stato nước chảy vào bộ phận

hướng nước. Bộ phận này có tác dụng sau đây:
• Thay đổi trị số và hướng tốc độ dòng chảy
giữa cơ cấu hướng nước và BXCT.
Đồng thời tạo điều kiện tốt cho dịng nước chảy
vào cánh tuabin.
• Điều chỉnh công suất tuabin bằng cách điều
chỉnh lưu lượng vào tuabin.
• Ngăn tồn bộ dịng nước vào BXCT của
tuabin
Bộ phận hướng dịng gồm có hai bộ phận chính:
các cánh hướng nước với số cánh Z0 = 16 - 32
cánh (được bố trí quanh chu vi BXCT) và cơ cấu
quay hướng. Mỗi cánh hướng có thân và trục

Stato tuabin (vịng bệ)
Sau khi qua buồng tuabin, nước sẽ chảy đến stato
tuabin rồi vào bộ phận hướng nước. Stato tuabin có tác
dụng truyền toàn bộ tải trọng phần trên nhà máy 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 tơng
phủ trên nó xuống móng nhà máy. Stato tuabin gồm
một số cột chống (2) với tiết diện ngang hình đường
dịng liên kết với vành đỡ trên (1) và vành đỡ dưới (3)
(hình 1.4). Có hai kiểu stato: kiểu cột riêng rẽ (hinh
1.4a) và kiểu vịng (hình 1.4b). Tất cả các tuabin tâm
trục và phần lớn tuabin cánh quay đều sử dụng stato
kiểu vòng để tăng độ cứng, còn kiểu cột riêng rẽ chỉ sử
dụng cho buồng xoắn bê tơng cốt thép và ở đó ổ trục
chặn khơng lắp trên nắp tuabin
Bánh xe công tác (BXCT)

Sau khi qua khỏi bộ phận hướng nước, nước chảy vào
BXCT (20), BXCT của tuabin tâm trục gồm có 12 đến
24 cánh, dạng mặt cong không gian và được cố định
(bằng hàn hay đúc) với vành trên (18) và vành dưới
(19). Vành trên của BXCT được nối với mặt bích dưới
của trục tuabin (21), cịn phía dưới của vành này được
nối với chóp thốt nước (22). Ngồi ở vành trên có lắp
các tấm giảm áp (27) và các lỗ để giảm bớt áp lực
nước dọc trục tác động lên BXCT.

1. Vòi phun; 2. Cánh
BXCT;
3. Miệng phun; 4. Van
kim; 5. Vỏ máy


1.3.1. Cấu tạo của Tubin phản kích
Trục và ổ trục
Trục và ổ trục là kết cấu truyền và chịu lực chủ yếu của tuabin.
• Trục tuabin: Trục tuabin được dùng để truyền mômen xoắn từ BXCT đến rôto
của máy phát điện, trục tuabin trục đứng là đoạn ống thành mỏng và có bích ở
hai đầu, phía trong rỗng để lắp ống dẫn dầu (cho tuabin cánh quay) hoặc để
dãn không khí xuống phía dưới BXCT (để phá chân khơng cho tuabin tâm trục).
Tùy thuộc vào cách bố trí nhà máy và kết cấu nhà máy, trục tổ máy có thể gồm
hai phần: trục tuabin và trục máy phát điện, hay 3 phần: trục tuabin, trục trung
gian và trục máy phát điện. Đường kính ngồi của trục tuabin phụ thuộc vào
cơng suất NT, số vịng quay n của tuabin và có thể tính sơ bộ theo cơng thức:

Trong đó:
�- hệ số kinh nghiệm, �= 0,11 - 0,12. Hệ số lớn dùng cho tuabin cỡ nhỏ và ngược lại.

NT – Công suất định mức của tuabin (kW)
n – số vòng quay đồng bộ (v/ph)
Kích thước trục tuabin vừa và lớn đều được tiêu chuẩn hoá với các trị số sau:
dt = 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500,
1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, v.v…
• Ổ trục hướng: Ổ trục hướng của tuabin có hai loại: ổ trục hướng bôi trơn bằng
dầu, và ổ trục hướng bôi trơn bằng nước; Ổ trục hướng bôi trơn bằng nước
thường bố trí ở trên nắp tuabin. Các tấm bạc làm bằng cao su cứng và được bôi
trơn bằng nước. Ở một số tuabin cỡ nhỏ, các tấm bạc có thể được làm bằng gỗ
dán và bơi trơn cũng bằng nước.

Ổ trục bôi trơn bằng nước
1. Trục; 2. Nồi trục; 3. Tấm bạc trục; 4. Nắp;
5. Vòng chặn; 6. Ống dẫn nước làm mát bạc
trục;
7. Ống xả nước; 8. Bơm nước rị trên nắp
tuabin;
9. Vịng bít


1.3. Khái quát về cấu tạo Tuabin
1.3.1. Cấu tạo của Tuabin phản kích
b. Tuabin hướng trục
Tuabin hướng trục có hai loại: cánh quạt và cánh quay.
Hướng chảy của nước trong phạm vi BXCT theo hướng trục quay của tuabin. Ở nước ngồi cịn gọi tuabin cánh quay là tuabin
Kaplan. Tuabin hướng trục được sử dụng cho cột nước thấp từ 3 - 5m đến 35 - 40m. Gần đây có nơi sử dụng cho cột nước đến 60 70m.
Bánh xe cơng tác của tuabin cánh quạt
Buồng bánh xe cơng
Gồm có 3 - 10 cánh (tăng theo cột nước), được gắn chặt
vào bầu BXCT, BXCT đặt trong buồng hình trụ, buồng có

tác
kích thước lớn hơn mép ngồi cánh BXCT khoảng một vài
Buồng
BXCT
tuabin
mm.
cánh quay
Ở đây BXCT được bố trí
Bánh xe cơng tác của tuabin cánh quay
thấp hơn BPHN (bộ
Gồm có: bầu, cánh, chóp thốt nước và bộ phận quay cánh
phận hướng nước) và
BXCT. Bầu BXCT có hai phần, phần cầu và phần trụ. Tâm
đặt bên trong buồng
của phàn cầu trùng với tâm của trục quay cánh BXCT. Bầu
BXCT gồm có hai phần:
phải có hình cầu để giảm bớt khe hở giữa cánh với bầu khi
phần trên của trục
quay cánh. Ở tuabin cánh quạt vì cánh cố định nên khơng
quay có dạng hình trụ,
có phần cầu này. Chóp thốt nước có tác dụng làm cho
cịn phần dưới có dạng
nước chảy khỏi BXCT thuận dịng hơn và giảm được tác
hình nửa cầu.
dụng mạch động.
Số cánh từ 3- 10 cánh (tăng theo cột nước) được gắn vào
bầu nhờ trục cánh.


1.3. Khái quát về cấu tạo Tuabin

1.3.2. Cấu tạo Tuabin gáo
a. Vòi phun

Vòi phun gồm miệng phun và van kim để điều chỉnh lưu lượng, nằm giữa van
tuabin và BXCT.
Vòi phun và kim có tác dụng điều chỉnh lưu lượng tuabin thơng qua việc điều
chỉnh tiết diện dịng tia vào BXCT. Vịi phun gồm có miệng phun (2) dạng ống co
hẹp dần, van kim (3) trượt trong vịi đó. Kim có trục nhơ ra ngồi vịi phun, trục
này chuyển động lui tới nhờ có động cơ tiếp lực của hệ thống điều chỉnh (nói rõ ở
chương 6) hay điều khiển bằng tay (ở các tuabin cỡ nhỏ). Lưu lượng vào tuabin sẽ
nhanh chóng giảm xuống tuy vẫn đóng van kim từ từ và sẽ giảm được áp lực nước
va xảy ra trong đường ống khi cần điều chỉnh lưu lượng tức thời.
b. Bánh xe cơng tác

BXCT gồm có 14 - 60 cánh gắn chặt lên đĩa và gắn lên trục tuabin. Cánh BXCT
có dạng gáo, giữa có sống nhỏ (dao) chia gáo thành hai phần bằng nhau và tách
dòng nước thành hai phần khi chảy ra theo hướng mặt phẳng BXCT. Để tránh
cánh gáo trước ảnh hưởng đến dòng nước xung kích và cánh gáo sau.
c. Vỏ máy

Mặt ngồi của BXCT được bọc bởi một lớp vỏ máy, tác dụng của nó là để ngăn
ngừa dịng nước trên BXCT bắn ra sàn nhà máy và để đỡ miệng vòi phun. Trong

1.Vòi phun; 2. Cánh BXCT; 3. Miệng phun
4. Van kim; 5. Vỏ máy


1.4. Các bộ phận phụ của Tuabin
1.4.1.
Van phá chân không

Khi đóng nhanh cơ cấu hướng nước
của tuabin phản kích thì trong buồng
BXCT áp suất bị giảm xuống. Đối với
những TTĐ có ống xả dài và đường
ống áp lực tương đối ngắn thì hiện
tượng giảm áp suất này càng lớn,
nước từ ống xả chảy ngược vào BXCT
với tốc độ khá lơn (sóng ngược) có
thể gây nên sự va đập vào rơto tổ
máy có thể làm hư hại tuabin và
máy phát. Có thể ngăn ngừa hiện
tượng nói trên bằng cách đặt ở trên
nắp tuabin một hay hai van phá
chân không, van này có lỗ thơng với
phía dưới BXCT tuabin. Khi đóng
nhanh cơ cấu hướng nước van này sẽ
tự động mở và cho khơng khí vào
1.4.2
Van xả khơng tải (van xả bỏ)
buồng BXCT.
Khi đóng nhanh BPHN do cắt phụ tải đột ngột, thì ngồi hiện
tượng giảm áp như đã nói ở trên xảy ra ở phía sau BPHN, cịn
có hiện tượng nước va ở trong hệ thống dẫn nước của tuabin.
Trị số lưu lượng trongtrong tuabin càng thay đổi đột ngột thì áp
lực nước va càng lớn. Van xả bỏ có tác dụng giảm áp lực nước
va kể trên. Khi tuabin làm việc bình thường thì van xả bỏ đóng

1.4.3.
Van tuabin
Van tuabin được bố trí giữa đường ống áp lực và tuabin, ở các TTĐ sử

dụng ống rẽ nhánh hoặc TTĐ cột nước cao H > 200 - 300m. Đối với các
tuabin cỡ lớn thường dùng ba loại van: đĩa, cầu và van kim dùng ở các
TTĐ có cột nước rất cao.

Van đĩa (hình a) hoặc van bướm có cấu tạo đơn giản gồm vỏ (1) và đĩa
van (2) quay quanh trục của nó nhờ động cơ tiếp lực dầu cao áp. Trước
khi mở van ta phải mở van cạnh (3) để cân bằng áp lực nước hai bên
van. Khi cột nước H > 150m thì phải sử dụng van cầu.
Van cầu hình (hình b) gồm có vỏ (1) và rơto hình cầu (2), đường kính
trong của rơto bằng đường kính của đường ống áp lực. Rơto có thể
quay được góc 900 nhờ động cơ tiếp lực dầu cao áp. Van cầu có cấu
tạo phức tạp hơn van đĩa. Người ta đã sản xuất van cầu có đường kính
đạt tới 3m và dùng cột nước cao. Van cầu và van đĩa chỉ làm việc bình
thường ở độ mở hồn tồn, cịn các độ mở khác thì trạng thái thủy lực
sẽ kém đi.
Van kim (hình c) gồm có vỏ (1), chóp thốt nước (2) (nối với vỏ nhờ các
trụ) và pittơng kiểu hình trụ (3). Pittông này xê dịch được nhờ áp lực
nước ở trong buồng A và B. Van kim có đặc tính thủy lực tốt, kín, dễ


Phần 2: . KHÍ THỰC VÀ CHIỀU CAO HÚT
CỦA TUABIN

20 20


1

Hiện tượng khí thực và tác hại của
nó

1.1.Ngun nhân hình thành của hiện tượng khí thực
Ở một vùng nào đó vì áp lực hạ thấp trong dịng chảy xuất hiện những bọt khí và hình
thành dịng nước sơi có tác dụng xâm thực bề mặt kim loại đó là hiện tượng khí thực.
Dịng nước chảy sơi sục là do dịng nước hố thành hơi, nó liên quan tới nhiệt độ và áp lực khí quyển tại nơi ấy. Khi áp
lực là 1 atmôtphe (tương ứng với 10,33m cột nước) nước hoá hơi ở 1000C nhưng nếu áp suất giảm xuống 1,26m cột
nước, nước hoá hơi ở 500C. Như vậy dưới một nhiệt độ nhất định nào đó áp lực làm cho nước bắt đầu hoá thành hơi gọi
là áp suất hoá hơi. Quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất hố hơi cho ở bảng

Dịng chảy qua phần dẫn tuabin luôn thay đổi vận tốc và áp suất. Tại một số vùng nhất định áp suất sẽ hạ rất thấp đến
giá trị áp suất hố hơi – nước sơi – tạo thành các bọt hơi nước và khơng khí có tác dụng xâm thực bề mặt kim loại mà
chủ yếu là tác dụng cơ học thứ đến là tác dụng hoá học và tác dụng điện hoá.


a.Tác dụng cơ học.
Trong bộ phận nước qua của tuabin tồn tại áp lực chân khơng cục bộ. Đó là điều kiện cơ bản hình thành khí thực. Khi dịng
nước đi qua BXCT, lưu tốc rất lớn nếu mặt ngoài cánh nhám, khơng nhẵn hoặc hình dạng cánh tuabin khơng hợp với hình
đường chảy đều có thể làm cho dịng chảy bị phá hoại. Dựa vào phương trình Bécnuly, lưu tốc tăng lên thì áp lực hạ xuống.
Nếu áp lực hạ xuống tới áp lực hố hơi thì dịng nước bắt đầu sơi. Chỗ cục bộ nào đó trong tuabin do áp lực thấp sinh ra bọt
hơi có chứa hơi nước và khơng khí. Khi bọt hơi xê dịch tới vùng áp suất cao, hơi nước lập tức ngưng tụ lại thành nước, hình
thành vùng chân khơng trong bọt khí. Dưới áp lực cao nước ở xung quanh ép vào trung tâm bọt khí với tốc độ rất mạnh tạo
nên áp lực nước va rất lớn làm cho bọt hơi bị co ép mãnh liệt. Sau đó cũng tại tâm các bọt khí này nước bị nén đột ngột lại
có xu thế muốn dãn nở , sau đó tái diễn quá trình ép co dãn nở.
Thực nghiệm cho thấy bọt khí tồn tại trong 0.003-0.006 giây , áp lực bọt hơi có thể đạt mấy trăm hoặc mấy nghìn atm và
truyền vào các bộ phận của tuabin làm bề mặt các phần nước qua của tuabin bị ăn mòn dần do tác động của xâm thực.
b. Tác dụng hóa học
Khi bọt khí bị nén ở vùng áp lực cao sẽ có tảo nhiệt. Người ta đã làm thí nghiệm và đo được nhiệt độ trong các bọt khí khi bị
nén đạt tới 2300C. Tác dụng hố học làm ăn mịn kim loại là do phản ứng ơxy hố khi khơng khí (chứa ơxy) bị tách ra khỏi
nước. Nhiệt độ nước càng lớn thì q trình ơxy hố càng mạnh. Nhưng ngun nhân chính làm cho kim loại bị ăn mịn chủ
yếu vẫn là do tác dụng cơ học thể hiện ở sự chấn động diễn ra trên bề mặt phần qua nước của tuabin: Bởi vì ngay cả đối với
các vật liệu có tính ổn định hố học tốt như thủy tinh v.v... vẫn bị phá hoại bởi tác dụng khí thực.

c. Tác dụng điện hóa
Khi bọt khí bị nén trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao làm cho giữa các bộ phận nước qua của tuabin có sự chênh lệch về
nhiệt độ (do khí thực) hình thành các pin nhiệt điện. Dưới tác dụng của hiện tượng điện phân xẩy ra trên bề mặt kim loại và
hiện tượng phóng điện trong các bọt khí sẽ gây nên sự ăn mòn kim loại.


1

Hiện tượng khí thực và tác hại của nó
1.2.Loại khí thực
Tuỳ theo vị trí xuất hiện khí thực người ta chia khí thực tuabin ra ba loại: khí thực vùng cánh tuabin, khí thực cục bộ và
khí thực khe hở.

a. Khí thực vùng cánh

Trong kết cấu của tuabin những vùng thường xảy ra xâm thực
là những vùng có áp suất thấp: xâm thực xảy ra mạnh nhất
vẫn là trên cánh bánh xe công tác.

Bằng thực nghiệm người ta đo được biểu đồ phân bố áp suẩt
trên bề mặt cánh tuabin (hình c). Vùng áp suất thấp là vùng
gần mép ra về phía bụng lưng cánh nơi mà vận tốc tương đối
w rất lớn. Ngoài ra, đối với tuabin tâm trục có thể xảy ra xâm
thực ở ỏ đĩa dưới hoặc ở phần vào của buồng hút tuabin (hình
1). Đối với tuabin gáo hiện tượng khí thực khơng nghiêm
trọng lắm. Nhưng nếu không thiết kế tốt đường cong của van
kim trong vịi phun thì sẽ sinh ra khí thực ở bên trong gần
miệng vòi phun và ở đầu nhọn của van kim. Đường sống
phản nước của cánh gáo (vùng có dấu o ở hình 2).

1

Hiện tượng khí thực và tác hại của
nó
1.2.Loại khí thực
Tuỳ theo vị trí xuất hiện khí thực người ta chia khí thực tuabin ra ba loại: khí thực vùng cánh tuabin, khí thực cục bộ và
khí thực khe hở.

b. Khí thực cục bộ
Khí thực vùng trống sinh ra cùng với sự hình thành và ngưng hơi của bọt khí trong
dịng
nước. Tuabin làm việc ở trạng thái phụ tải từng phần, dịng nước chỗ cửa ra của BXCT có tốc độ vịng rất lớn vì sự
chảy xốy đó ở trung tâm ống hút sinh ra áp lực chân khơng hình thành khí thực vùng trống.
c. Khí thực khe hở
Khi đóng kín cánh hướng nước nếu cánh tuabin chưa kịp khép kín sẽ hình thành khe hở, khe hở giữa rãnh vịng
chống đỡ của BXCT, cửa van xả nước và van cánh bướm khép khơng thật kín cịn có khe hở, phần qua nước của vòi
phun và van kim của tuabin gáo cũng có khe hở. Tại những chỗ đó lưu tốc rất lớn áp lực hạ thấp dần đến khí thực
khe hở.

1.3.Tác hại của khí thực
Hiện tượng khí thực trong tuabin thường dẫn đến các tác hại sau đây:
• Làm giảm hiệu suất và công suất tuabin. Sự giảm công suất tuabin không những chỉ do sự giảm hiệu suất mà cịn do
cả sự giảm khả năng thốt nước của tuabin.
• Làm hư hỏng các phần nước qua của tuabin. Nếu hư hỏng với mức độ nghiêm trọngsẽ buộc phải dùngmáy để sửa
chữa và làm giảm lượng điện phát ra của TTĐ.
• Máy rung và có tiếng ồn, hiện tượng rung động có thể lan sang cả phần nền móng của nhà máy TTĐ.

2

Hệ số khí thực
Ta viết phương trình Bécnuly cho dịng chảy qua điểm x và điểm k với mặt chuẩn
0-0 được chọn là mặt nước hạ lưu.

+

+

= - + +

Trong công thức hw là tổn thất đầu nước từ x đến k.

= biểu thị chiều cao hút của điêm x
- =
Vậy độ chân không của điểm x băng = - = + ( -)
Trong đó là chân khơng trạng thái tĩnh của điểm
x
( - - ) là chân không trạng thái động
Hệ số khí thực của tuabin là
=
Vậy - = + . H

Hình 3: Sự phân bố áp lực ở cánh BXCT
trong đó: đường 1 biểu thị áp lực nước ở Hình 4: Sơ đồ để xác định hệ số
mặt lõm cánh; đường 2 biểu thị ở mặt lồi
khí thực của tuabin
cánh. Tại vùng xuất hiện khí thực, áp suất ở
đó nhỏ nhất.

3

Xác định chiều cao hút và cao trình lắp đặt tuabin của trạm thủy điện

Nếu điểm x sinh ra khí thực thì áp lực tuyệt đối của điểm x phải nhỏ hơn áp
lực hoá hơi tức là:
. Như vậy - - .H
Vậy để đảm bảo khơng sinh ra khí thực thì: - - .H

Trong thực tế, do khó biết được một cách chắc chắn vị trí điểm x, nên khi làm thí nghiệm khí thực cũng như khi xác định
chiều cao đặt BXCT tuabin so với mức nước hạ lưu, ta thường quy ước điêm x là điểm có áp lực nhỏ nhất nằm ở các vị
trí sau đây của tuabin (hình 3.1).
Hình 3.1: Cách biểu thị chiều cao hút Hs.
1.Mặt đầu dưới của cánh hướng nước (tuabin tâm trục và chéo trục).
2.Điểm cao nhất của BXCT (hoặc khuỷu ống hút), đối với tuabin trục
ngang.
3.Trục quay cánh BXCT (đối với tuabin dọc trục, trục đứng).
Khoảng cáchthẳng đứng tínhtừ mặt nước hạ lưu đến các cao trình nói
trêngọi là chiều cao hút và kí hiệu Hs. Chiều cao hút được coi là
đường (+Hs) nếu mặt nước hạ lưu thấp hơn cao trình nói trên và là âm
(-Hs) nếu mặt nước hạ lưu cao hơn các cao trình nói trên.


3

Xác định chiều cao hút và cao trình lắp đặt tuabin của trạm thủy điện

Sau khi thay hx có trong phương trình (5.1) bởi Hs, đồng thời để đảm bảo mức độ an toàn nhất định của chiều

cao hút ta thêm ; T = M + ; cuối cùng ta được cơng thức tính chiều cao
hút Hs:
Hs - - M + ).H
Trong đó : ��/�- áp suất khí quyển ở cao độ mặt biển và ở điều kiện bình thường = 10,33m cột nước
M- hệ số khí thực của tuabin mẫu ở chế độ làm việc đang xét;
��- độ hiệu chỉnh xét đến sự khác nhau giữa sT và sM.
/Ở nhiệt độ bình thường, áp suất bốc hơi �ℎℎ//= 0,09 ÷ 0,24m cột nước
Như vậy, nếu xây TTĐ ở cao trình bằng mặt biển thì hiệu số ��//- �ℎℎ//≈ 10m cột nước.
//
Nếu hạ lưu của TTĐ cao hơn mặt biển là ∇(m) thì áp suất khí quyển sẽ giảm ∇/900
Lúc đó ��//- �ℎℎ//= 10 - ∇/900
//
Trong cá điều kiện kể trên , cơng thức tính chiều cao hút Hs là :

Hình 3.2 Quan hệ � � = f(H)
� � độ hiểu chỉnh tra trên hình 3.2
H : cột nước cơng tác của tuabin


4

Các biện pháp phịng chống khí thực
Muốn loại trừ hoặc hạn chế tác hai do khí thực đến mức thấp nhất, trong thực tế ngành tuabin thường sử dụng các biện
pháp sau đây:
Xác định chiều cao hút �� hợp lý . Chiều cao hút tính tốn của tuabin phải xác định sao cho bằng chiều cao hút cho
phép. Với chiều cao hút đó, một mặt sẽ đảm bảo tuabin làm việc khơng xảy ra khí thực hoặc xảy ra ở mức độ nhẹ cho
phép, đồng thời đảm bảo tuabin không lắp đặt ở độ sâu quá thấp so với mực nước hạ lưu
Nghiên cứu và hoàn thiện các kiểu BXCT sao cho có thể giảm hệ số khí thực sT. Thiết kế dạng cánh hợp lí bảo đảm áp
lực phân bố đều theo chiều dài sải cánh. Việc giảm bớt hệ số khí thực sT theo cơng thức (5.4) có nghĩa là bảo đảm
tuabin đó có chiều cao hút lớn. Đồng thời việc giảm hệ số khí thực sT sẽ cho phép tăng phạm vi cột nước sử dụng của

các kiểu tuabin. Chính vì vậy ngày nay người ta có thể sử dụng tuabin hướng trục - trục đứng với cột nước Hmax =
80m và tuabin tâm trục: Hmax = 700m.
-Một

trong các biện pháp bảo vệ các bộ phận của phần nước qua của tuabin khỏi bị phá hoại do tác dụng khí thực là
chọn hợp lí các nguyên vật liệu chế tạo.


4

Các biện pháp phịng chống khí thực
Biện pháp hạn chế khí thực trong vận hành TTĐ.

Duy trì tuabin làm việc ở chế độ khơng khí thực hoặc khí thực chỉ
biểu hiện ở mức độ nhẹ.

Dẫn khơng khí vào phía dưới BXCT để làm giảm bớt khí thực
xoang và giảm áp lực mạnh động. Nếu khơng khí được dẫn đúng
nơi và số lượng khơng khí vừa phải thì có thể làm giảm độ rung
máy.


Phần 3: XÂM THỰC TUABIN

20 20


3.1.Hiện tượng xâm thực

Nghiên cứu điều kiện làm việc của turbine khi có ống hút

cho thấy ở phía dưới cánh BXCT (tức ở mặt sau của
prôphin cánh BXCT, nơi gần vị trí nối tiếp với ống hút), khi
turbine làm việc, xuất hiện chân không do vận tốc nước
chảy qua BXCT lớn. Điều này cùng với giải thích ở dưới sẽ
lý giải tại sao xâm thực lại bị tại vị trí mặt dưới bánh xe
công tác. Hơn nữa, khi chảy trong các rãnh giữa hai cánh
BXCT vận tốc nước phân bố không đều, dẫn đến áp suất
nước ở mặt sau của cánh giảm xuống rất thấp, làm xuất hiện
hiện tượng xâm thực.