Công trình điều áp cho nhà máy thủy điện pdf
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.14 MB, 56 trang )
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 1 -
Chơng III
Công trình điều áp
Mục Lục
Mục Lục 1
Chơng III 2
Công trình điều áp 2
3.1. Nớc va và các quá trình chuyển tiếp thuỷ lực trong công trình dẫn nớc của trạm thủy
điện 2
3.1.1. Nớc va và ảnh hởng của nó đến sự làm việc của trạm thuỷ điện 2
3.1.2. Thành lập phơng trình cơ bản để tính toán nớc va 2
3.1.3. Giải hệ phơng trình nớc va bằng phơng pháp giải tích 5
3.1.4. Tính toán nớc va bằng đồ giải 10
3.1.5. Nớc va pha thứ nhất và nớc va pha giới hạn 12
3.1.6. Nớc va trực tiếp và nớc va gián tiếp 15
3.1.7. Phân bố áp lực nớc va theo chiều dài ống 17
3.1.8. Tính toán nớc va trong đờng ống phức tạp 18
3.1.9. Các biện pháp giảm áp lực nớc va 20
3.2. Tháp điều áp 24
3.2.1. Tác dụng, điều kiện ứng dụng và các loại tháp điều áp 24
3.2.2. Phơng trình vi phân cơ bản của tháp điều áp 27
3.2.3. Tính toán thuỷ lực tháp điều áp bằng giải tích 29
3.2.4. Tính toán thuỷ lực tháp điều áp bằng phơng pháp tra biểu đồ.Error! Bookmark
not defined.
3.2.5. Tính toán thủy lực tháp điều áp bằng phơng pháp đồ giảiError! Bookmark not
defined.
3.2.6. Phơng pháp sai phân hữu hạn giải các bài toán chế độ không ổn định trong tháp
điêu áp Error! Bookmark not defined.
3.2.7. Điều kiện việc ổn định của hệ thống dẫn nớc áp lực có tháp điều ápError!
Bookmark not defined.
3.2.8. Lựa chọn loại và kích thớc tháp điều áp Error! Bookmark not defined.
3.2.9. Tính toán kết cấu của tháp điều áp Error! Bookmark not defined.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 2 -
Chơng III
Công trình điều áp
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Duy Hạnh
3.1. Nớc va v các quá trình chuyển tiếp thuỷ lực trong
công trình dẫn nớc của trạm thủy điện
3.1.1. Nớc va v ảnh hởng của nó đến sự lm việc của trạm thuỷ điện
Khi đóng hay mở turbin, lu lợng và do đó lu tốc trong ống dẫn nớc vào turbin sẽ thay
đổi. Đối với trạm thuỷ điện thì do yêu cầu kỹ thuật của dòng điện, mà sự đóng mở turbin cần phải
nhanh, thờng là thời gian đóng mở hoàn toàn chỉ 3
s
đến 6
s
. Trờng hợp đặc biệt cũng không
vợt quá 10
s
.
Sự thay đổi lu tốc nhanh, gần nh đột ngột nh vậy gây ra sự gia tăng áp lực (trờng hợp
đóng turbin) hoặc giảm thấp áp lực (trờng hợp mở turbin) trong ống dẫn. Cần phải nghiên cứu
và tính toán đến trong thiết kế và vận hành trạm thủy điện.
Sự gia tăng áp lực khi đóng turbin, gọi là nớc va dơng. Đặc biệt đối với ống dẫn có chiều
dài lớn, áp lực gia tăng có thể khá lớn, do đó phải tăng độ dày thành ống. Theo tính toán kinh tế,
trong thiết kế thờng cố gắng áp dụng các biện pháp kỹ thuật để hạn chế áp lực nớc va dơng
không vợt quá 30 ữ70% cột nớc tính toán của trạm thủy điện.
Sự giảm thấp áp lực khi mở tuốc - bin, gọi là nớc va âm, gây ra giảm cột nớc làm việc đột
ngột, cản trở việc tăng công suất kịp thời theo yêu cầu phụ tải. Ngoài ra có trờng hợp cột nớc
áp lực trong ống hạ thấp hơn áp lực khí trời, từ đó trong ống xuất hiện chân không. Trong thiết kế
phải thay đổi tuyến ống khi tính toán nớc va âm thấy xuất hiện đoạn ống xảy ra chân không.
3.1.2. Thnh lập phơng trình cơ bản để tính toán nớc va
Để lập nên hệ phơng trình tính toán áp lực nớc va trong ống dẫn có áp. Dựa vào các quy
luật vật lý có thể lập hai phơng trình sau:
3.1.2.1. Phơng trình động lợng
Xuất phát từ định luật: Sự biến đổi động lợng của một vật thể thì bằng tổng ngoại lực tác
động lên vật thể đó:
Viết phơng trình này, chiếu trên trục x:
()
X
dt
mVd
x
=
(3-1)
Từ mặt cắt 1-1, sau thời gian dt sóng áp lực nớc va, gọi tắt là sóng va, di chuyển đợc một
đoạn đờng dx, tới mặt cắt 2-2 với vận tốc c= dx/dt. Khối lợng nớc giữa hai tiết diện là m =
Fd
x
. Các lực tác dụng lên khối nớc dx gồm có:
- áp lực nớc tác dụng lên mặt cắt 1-1 là:
Fp
(3-2)
- áp lực nớc tác dụng lên mặt cắt 2-2 là:
dx
x
pF
F
+
)(
p
(3-3)
- Trọng lực khối nớc chiếu lên trục x:
sindxgF
(3-4)
- Lực ma sát tác dụng lên thành ống:
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 3 -
dxD
0
(3-5)
Phơng trình 3-1 viết thành:
DdxgFdxdx
x
pF
pFpF
dt
dV
Fdx
0
sin)
)(
( +
+=
(3-6)
Trong đó:
p: áp lực nớc trên đơn vị diện tích tại mặt
cắt 1-1
F: Tiết diện ống
: Góc nghiêng của đờng ống so với mặt
phẳng nằm ngang.
D: Đờng kính trong của ống
: Khối lợng riêng của nớc
g: Gia tốc trọng trờng
0
: Sức kháng đơn vị ở thành ống
8
2
0
Vf
=
f: Hệ số ma sát giữa nớc với thành ống
Sau một số diễn toán, phơng trình trên viết
thành:
t
V
D
VfV
x
H
g
=+
2
(3-7)
3.1.2.2. Phơng trình liên tục
Từ điều kiện liên tục (hình 3-2) thấy rằng sự
chênh lệch thể tích vào và ra giữa hai đoạn chiều dài
ống dx sẽ bằng với phần thể tích tăng lên do thành
ống dãn ra do tính đàn hồi, cộng với phần thể tích
nớc bị co lại do bị ép vì áp lực nớc va:
t
Fdx
dx
x
FV
FVFV
=
+
)()(
(3-8)
Sau các diễn tóan, phơng trình (3-8) viết thành:
0sin
2
=
+
+
t
H
x
H
V
x
V
g
c
3.1.2.3. Vận tốc truyền sóng áp lực nớc va
1). Sự truyền sóng áp lực nớc va
Khi cửa van ở tiết diện cuối ống A đóng, vận tốc ban đầu V
0
giảm đi một lợng dV. Vì
thành ống có biến dạng đàn hồi, nên tiết diện ống tăng lên, nớc cũng bị co ép giảm thể tích. Từ
(a)
A
pF+
(pF)
x
dx
pF
x
H-z
z
gFdx
Hình 3-1. Sơ đồ lực tác dụng lên
một phần tử chiều dài dx
của ống dẫn nớc có áp
FV
H - z
z
dx
x
(
FV)
FV+
Hình 3-2. Sơ đồ tính toán
phơng trình liên tục ống dẫn
D
dr
p =
H
r
22
Hình 3-3.Biến dạng theo chiều
chu vi của ống dẫn
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 4 -
đó mà ở đoạn ống ngay trớc cửa van có chứa thêm một lợng nớc nhỏ, đồng thời với sự gia
tăng áp lực.
Sự giãn nở thành ống và tăng áp này truyền dần lên trên với một vận tốc c, gọi là vận tốc
truyền sóng áp lực nớc va.
Khi hiện tợng tăng áp truyền tới đầu ống, là nơi có mặt thoáng (hồ chứa hoặc bể áp lực)
thì áp lực trong ống đợc giải phóng, nớc trong ống chảy ngợc ra hồ chứa. Nhng vì có quán
tính nên sự giảm áp không dừng lại mà tiếp tục giảm đến một trị số
H bằng với trị số của áp lực
tăng trớc đó nhng ngợc dấu.
Sự giảm áp truyền ngợc từ đầu xuống cuối ống cũng với vận tốc truyền c.
Thời gian để sóng va truyền từ cửa van lên đầu ống rồi lại trở về cửa van sẽ là:
c
L
t
f
2
=
(3-10)
L: Chiều dài ống dẫn (m)
Thời gian t
f
gọi là một pha nớc va.
Khi sóng va truyền trở về đến cửa van, lại bắt đầu quá trình tăng áp của chu trình thứ 2. cứ
nh vậy tạo nên một dao động đàn hồi, vì có ma sát với thành ống nên dao động tắt dần.
2). Vận tốc truyền sóng áp lực nớc va
Vận tốc truyền sóng, tức là vận tốc lan truyền áp lực nớc va:
d
t
dx
c =
(3-11)
Qua các diễn toán, rút ra biểu thức:
Ee
D
k
c
k
1+
=
(3-12)
Với thành ống tuyệt đối cứng E =
, khi đó:
0
k
cc ==
(3-13)
Thay trị số k và
của nớc: k = 20,7.10
8
N/m
2
; = 1019 Ns
2
/m
4
vào trên đợc:
C
0
= 1425 m/s.
Vậy đối với nớc, công thức (3-13) thành
Ee
D
c
k
1
1425
+
=
(3-14)
Trong đó:
E: Mô đuyn đàn tính của vật liệu làm ống. Với những vật liệu thờng gặp nh sau:
Vật liệu Thép Gang Bê tông Gỗ Cao su Nớc
Mô đun đn hồi (N/cm
2
) 21,0.10
6
10,0.10
6
21,0.10
5
10,0. 10
5
200ữ 600
K = 20,7. 10
4
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 5 -
3.1.3. Giải hệ phơng trình nớc va bằng phơng pháp giải tích
3.1.3.1. Giải hệ phơng trình nớc va
ở trên đã nêu ra hai phơng trình cơ bản để tính toán nớc va là: phơng trình động lợng
(3-7) và phơng trình liên tục (3-9).
Để giải đợc hệ phơng trình này bằng phơng pháp giải tích thì phải bỏ qua thành phần
ma sát giữa dòng chảy với thành ống, (gây ra tổn thất cột nớc) . Nh vậy từ (3-7) nếu thành
phần
0
2
D
VfV
phơng trình động lợng trở thành:
t
V
x
H
g
=
(3-15)
Phơng trình liên tục (3-9), nếu bỏ qua tổn thất cột nớc thì thành phần
sin=
x
H
khi
đó phơng trình (3-9) trở thành:
t
H
x
V
g
c
=
2
(3-16)
Tích phân hệ phơng trình (3-15) và (3-16) đợc nghiệm tổng quát:
)()(
)()(
0
0
c
x
tf
c
g
c
x
tF
c
g
VV
c
x
tf
c
x
tFHH
++=
++=
(3-17)
Trong đó:
H
0
, V
0
: là cột nớc áp lực và vận tốc ban đầu ở mặt cắt x.
Hàm
)(
c
x
tF và hàm )(
c
x
tf + là những hàm số thể hiện sự thay đổi của áp lực nớc va.
Hàm F đặc trng cho sóng va di chuyển trong ống dẫn với vận tốc truyền sóng c theo chiều từ
cửa van đi, hàm f đặc trng cho sóng di chuyển ngợc lại, đến cửa van với tốc độ c.
Dạng cụ thể của hàm F và f xác định theo điều kiện ban đầu và điều kiện biên.
3.1.3.2. Hệ phơng trình dây chuyền
ở trên đã có nghiệm tổng quát của hệ phơng trình nớc va (3-17)
Trong thực tế, có thể biến đổi nghiệm tổng quát cho cách giải cụ thể. Một trong những cách
này là biến đổi về hệ phơng trình dây chuyền nh sau:
Xét đoạn ống dẫn giữa hai mặt cắt A-A và B-B, có chiều dài là l (hình 3-4), với tiết diện và
vận tốc c không đổi.
ở thời điểm t, tại mặt cắt A-A, cột nớc là
A
t
H và vận tốc là
A
t
V
Theo phơng trình (3-17) sẽ có:
)()(
)()(
0
0
tf
c
g
tF
c
g
VV
tftFHH
AAA
t
AAA
t
+=
+=
(3-18)
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 6 -
Cũng từ hệ phơng trình tổng quát trên, xét cột nớc
B
c
l
t
H
+
và vận tốc
B
c
l
t
V
+
tại mặt cắt B-B
ở thời điểm
c
l
t
+
)()(
)()(
0
0
c
l
tf
c
g
c
l
tF
c
g
VV
c
l
tf
c
l
tFHH
BBB
c
l
t
BBB
c
l
t
+++=
+++=
+
+
(3-19)
Khi sóng truyền từ mặt cắt A-A đi lên với vận tốc c, hàm số F đặc trng cho sóng này giữ
nguyên giá trị. Do đó:
)()( tF
c
l
tF
AB
=+ (3-20)
Trừ hệ phơng trình (3-18) cho hệ (3-19) và chú ý đến (3-20) sẽ đợc:
)()(
)()(
c
l
tftfVV
g
c
c
l
tftfHH
BAB
c
l
t
A
t
BAB
c
l
t
A
t
+=
+=
+
+
(3-21)
Từ đó:
=
++
B
c
l
t
A
t
B
c
l
t
A
t
VV
g
c
HH
(3-22)
Xét đến trờng hợp khác: ở thời điểm t tại mặt cắt B-B có
B
t
H và
B
t
V (hình 3-4b), sóng va
truyền từ B về A, đến thời điểm
c
l
t +
tại mặt cắt A-A sẽ có
A
c
l
t
H
+
và vận tốc
A
c
l
t
V
+
Với sóng truyền từ B - B về A A hàm số f đặc trng cho sóng này sẽ không thay đổi trị
số:
)()( tf
c
l
tf
BA
=+
Cũng làm nh trên sẽ đợc:
=
++
A
c
l
t
B
t
A
c
l
t
B
t
VV
g
c
HH (3-23)
Hai phơng trình (3-47) và (3-48) là hai dạng của phơng trình dây chuyền, theo đó có thể
từ thời điểm ban đầu mà tính trạng thái nớc va ở thời điểm
c
l
t =
Nh vậy theo các điều kiện biên cụ thể sẽ tính đợc trị số cột nớc và vận tốc trong nớc va
ở mặt cắt bất kỳ của ống dẫn.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 7 -
(a) (b)
l
t+l/c
B
H
H
A
t
V
B
t+l/c
V
t
A
B
A
l
V
B
t
B
H
B
t
V
A
t+l/c
A
t+l/c
A
H
Hình 3-4. Sơ đồ tính toán phơng trình dây chuyền giữa hai mặt cắt
a- A Từ A về B, b- Từ B về A
Để thuận tiện cho tính toán có thể đa hệ phơng trình về các đại lợng không thứ nguyên:
Chia hai vế của phơng trình (3-22) và (3-23) cho trị số cột nớc ban đầu H
0
, còn trị số V
thay bằng
F
Q
, từ (3-22):
=
++
maxmax0
max
00
.
Q
VF
Q
FV
FgH
cQ
H
H
H
H
B
c
l
t
A
t
B
c
l
t
A
t
Hay
=
++
B
c
l
t
A
t
B
c
l
t
A
t
qqhh
2
(3-24)
Cùng làm nh vậy từ (3-23):
=
++
A
c
l
t
B
t
A
c
l
t
B
t
qqhh
2
(3-25)
Trong đó:
FgH
cQ
0
max
2
=
3.1.3.3. Tính toán nớc va bằng phơng pháp giải tích
Từ hệ nghiệm (3-24) và (3-25) có thể đợc các trị số áp lực và lu lợng tại thời điểm và
mặt cắt bất kỳ khi có hiện tợng nớc va, với điều kiện cụ thể.
I). Điều kiện biên
Cột nớc ở thời điểm ban đầu.
Trên sơ đồ ống dẫn (hình 3-5). ở thời điểm t = 0, lúc bắt đầu đóng turbin, cột nớc tại A
bằng H
A
= H
0
, 1
0
==
H
H
h
A
,
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 8 -
Tại mặt cắt B, có mặt thoáng (hồ chứa hoặc bể áp lực), cột nớc không đổi:
BB
t
HH
0
=
,
1=
B
t
h
Lu lợng thay đổi ở mặt cắt A. ở thời điểm t = 0 có
0
A
=
,
1
0
==
Q
Q
q
A
A
ở thời điểm t:
Hình 3-5. Sơ đồ tính toán nớc va trong ống dẫn có áp
1). Với turbin xung kích
Lu lợng vào turbin theo quy luật dòng chảy qua vòi:
ttt
gHFQ 2
=
Trong đó:
: Hệ số lu lợng của vòi turbin
00
0
2
2
gHF
gHF
Q
Q
q
tt
t
t
==
Trong đó:
t
t
F
F
=
0
: Độ mở cánh hớng nớc ở thời điểm t
ttt
hq
= (3-26)
Độ mở turbin: Phụ thuộc vào quy luật đóng
mở, thờng với mỗi máy điều tốc tự động đã đặt sẵn
chế độ điều khiển cánh hớng nớc theo quy luật
nhất định (hình 3-6) về độ mở phụ thuộc vào thời
gian đóng, mở. Trong đó T
S
là thời gian đóng (mở)
hoàn toàn từ độ mở lớn nhất đến đóng hẳn (hoặc
ngợc lai) Thời gian: Mỗi pha nớc va
c
L
t
f
2
= ký
hiệu là
. Vậy tính từ thời điểm t = 0, khi sóng va
chuyền từ A đến B sẽ ứng với thời điểm
.
2
m
1
m
s
T
t
f
t
Hình 3-6. Luật đóng mở cánh hớng
nớc theo thời gian
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 9 -
Thay các trị số và ký hiệu trên vào phơng trình (3-50) để tính
A
h
)(2
00
ABAB
qqhh
=
Thay
1
0
=
B
h , 1
0
=
B
q ,
AA
hq
= từ đó:
)1(21
AA
hh
= (3-27)
Giải phơng trình này sẽ đợc
A
h
Tiếp tục nh vậy với các pha sau, sẽ giải lần lợt đợc cột nớc ở tiết diện A, tại thời điểm
bất kỳ
2). Với turbin phản kích
Lu lợng vào turbin và số vòng quay của turbin xác định theo công thức turbin:
2
' DHQQ = (3-28)
D
Hn
n
'
=
(3-29)
Trong đó:
Q, n: lu lợng và số vòng quay quy dẫn của turbin.
Quan hệ gữa Q và n với độ mở a
0
đợc ghi trên đờng đặc tính tổng hợp của turbin (hình
3-7a)
Với turbin đã chọn: các trị số: loại, đờng kính, số vòng quay định mức đã xác định, có thể
xây dựng đờng quan hệ Q, H, hay để tiện sử dụng tính ra q, h. cách làm nh sau:
Từ đờng đặc tính tổng hợp của turbin. Với số vòng quay định mức n
0
và đờng kính D đã
chọn cho turbin .
Đặt những trị số cột nớc H khác nhau (trong phạm vi dao động) Từ đó tính đợc những trị
số
H
nD
n ='
khác nhau
Với những trị số n đó vạch đờng nằm ngang,
mỗi đờng sẽ cắt các đờng đồng độ mở a
0
, đợc
các trị số a
0
và các Q tơng ứng (dóng xuống trục
hoành).
Với trị số Q, H tính đợc lu lợng Q theo
công thức (3-28) tơng ứng với H, sau đó tính ra q,
h. Từ đó vẽ lên biểu đồ (hình 3-7b)
Từ phơng trình (3-25) tính đợc
)(2
00
ABAB
qqhh
=
Hay
)(21
0
AAA
qqh
=
2
1
0
=
A
AA
h
Trên biểu đồ hình (3-7b), xuất phát từ điều
kiện ban đầu
1
0
=
A
h , q
0
ứng với độ mở ban đầu, thí
1
n' =
n D
H
0
0
n'
Q'
h
1
2t
q
q
0
A
q
t
A
q
0
A
q
mt
A
(b)
(a)
2
a
3
a
4
a
Hình 3-7. Đờng đặc tính tổng hợp
của Tur bin và các đờng cong phụ
thuộc q và h của Tur bin phản kích
a- Đờng đặc tính tổng hợp
b- Các đờng cong q~h của Turbin
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 10 -
dụ độ mở ban đầu là a
0max
thì q
0
= q
0max
. Từ giao điểm q
0
với trục hoành ( 1
0
=
A
h ) vẽ một đờng
thẳng lập với trục hoành một góc
có tg = 2 , từ giao điểm của đờng này với đờng cong
A
h
và dóng xuống trục hoành đợc
A
q
.
Để tính toán nhanh, có thể lập phơng trình giải tích cho những đờng cong
A
t
A
t
hq ~
, kết
hợp với phơng trình dây chuyền, từ đó tính đợc
A
t
h
và
A
t
q
bất kỳ.
3.1.4. Tính toán nớc va bằng đồ giải
3.1.4.1. Điều kiện biên
Cũng xuất phát từ giả thiết bỏ qua tổn thất thuỷ lực do ma sát, dùng đồ giải để xác định h
và q theo hệ nghiệm (3-24) và (3-25) cùng với các điều kiện biên:
Tại thời điểm bắt đầu đóng (mở) turbin t = 0
AA
HH
0
= ,
BB
HH
0
= , vậy 1
00
==
BA
hh
0
QQQ
BA
== 1
00
==
BA
Với thời điểm bất kỳ t:
BB
t
HH
0
= vậy 1=
B
t
h
Xây dựng đờng đặc tính q~h của turbin đã chọn (hình 3-7b) Quy luật đóng (mở) turbin
theo biểu đồ (3-6).
3.1.4.2. Tính toán nớc va khi giảm tải
Xuất phát từ độ mở ban đầu a
0
trên hình 3-8b giao điểm của đờng q
0
với trục hoành (h=1)
sẽ có điểm B
. Từ đây sóng va truyền từ A đến B theo phơng trình (3-25)
)(2
22
ABAB
qqhh
=
Với
1=
B
h
,
ABB
qqq
00
==
AA
A
h
20
2
1
2
=
(3-30)
Vậy từ điểm B
kẻ đờng thẳng lập với trục hoành một góc , với tg = 2.
Giao điểm của đờng cong
A
q
(ứng với = 2) sẽ tơng ứng với
A
h
2
và
A
q
2
. Đó là điểm
A
2
. Từ điểm A
2
viết phơng trình sóng va (3-24) tơng ứng với sóng truyền đi A đến B:
)(2
3232
BABA
qqhh
=
Với
1
3
=
B
h
, sẽ đợc:
BA
A
h
32
2
1
2
=
Vậy từ điểm A
2
kẻ đờng thẳng nghiêng làm với trục hoành một góc có tg = 2.
Đờng này cắt trục hoành (h=1) tại điểm tơng ứng với
B
q
3
.
Tiếp tục làm nh vậy sẽ đợc các các điểm
4
A ,
6
A , Cho đến khi turbin đóng hoàn
toàn, tơng ứng với a
0
= 0, đó chính là trục tung, dao động sau đó có giá trị h <1, tức là cột nớc
tại A nhỏ hơn H
0
. vì không có thành phần tổn thất cột nớc do ma sát, nên dao động có thể duy
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 11 -
trì không tắt nh hình 3-8b. Trong trờng hợp giảm tải đến độ mở cuối cùng a
0
> 0, sẽ có dao
động nh hình 3-8e.
Trờng hợp tính toán với ba mặt cắt A,B,C sẽ theo sơ đồ 3-8d
h2
q
m
m
A
A
(m+1)
B
2,5
0
1
q
A
B
0
1,5
B
0
A
A
A
2
2
0
A
q
A
q
q
0,5
;B
2
2
1
(b)
B
B
A
A
C
C
L
l
8,6
Z
(a)
A
(m+1)
0
1
q
A
3
q
2,5
q
A
2
q
A
1,5
q
A
1
q
A
0,5
q
A
3,5
A
3
A
3,5
A
3,5
A
3,5
A
3
A
3
A
2,75
C
2,25
C
1,75
C
1,25
C
0,75
C
3
B
2,5
B
B
1,5
2
B
B
A
0
B
4
B
3,5
3,75
C
C
4,25
3,25
C
4
A
h
(d)
q
h
1
2
1
2
1
t-l/c
A
t
C
t-(L-l)/c
B
t
h
C
t
C
q
h
q
A
9
B
7
B
B
8
1
(c)
(e)
Hình 3-8. Tính nớc va bằng đồ giải trờng hợp giảm tải
a- Sơ đồ ống dẫn với các mặt cắt tính toán A, B, C
b- Đồ giải tính nớc va tại A và B
c-Đờng thẳng biểu thị hàm F sóng truyền từ A đến B (1) và hàm f, sóng truyền từ B đến A (2)
d- Đồ giải tính trị số h, q tại mặt cắt A, B và C
e- Khi độ mở cuối cùng khác không
3.1.4.3. Tính toán nớc va khi tăng tải
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 12 -
Nừu từ độ mở ban đầu a
0
, tăng tải đến độ mở cuối cùng a
n
, với thời gian T
S
. Cũng với cách
tính nh trên, sẽ đợc biến diễn cột nớc tại A nh hình 3-9.
Hình 3-9. Tính toán nớc va bằng đồ giải trờng hợp tăng tải
3.1.5. Nớc va pha thứ nhất v nớc va pha giới hạn
Nh trình bầy trên, với hệ nghiệm tổng quát (3-24) và (3-25) có thể tính đợc áp lực nớc
va ở bất kỳ thời điểm nào.
Trong thực tế, thờng chỉ cần tính toán áp lực tăng lên hoặc giảm xuống, lớn nhất trong quá
trình xảy ra nớc va.
Qua thiết kế và vận hành các trạm thuỷ điện, ta đã thấy rằng sự biến diễn áp lực nớc va
hầu nh đều theo hai dạng: nớc va pha thứ nhất: nớc va tại A đạt đến trị số lớn nhất ngay ở
cuói pha đầu tiên. Nớc va pha giới hạn: áp lực nớc va tăng dần đến pha thứ m nào đó thì không
tiếp tục tăng mà lại giảm. từ đó chỉ cần tính toán với hai trờng hợp trên:
3.1.5.1. Nớc va pha thứ nhất
Quan hệ giữa lu lợng và cột nớc trong nớc va theo các biểu thức (3-24), (3-25) đợc
thể hiện trên hình 3-8b.
Đáy các tam giác chính là
A
i
q
có thể tính theo chiều cao
A
i
h
và góc
ghq
A
i
A
i
cot2=
Trong đó:
2
cot
=g
Viết biểu thức lu lợng ở mặt cắt A tại thời điểm cuối pha thứ n
=
1
1
0
5,0
n
in
AA
n
qqqq
Thay
A
i
q bằng biểu thức trên:
=
1
1
0
1
2
n
A
i
A
n
AA
n
h
h
(3-31)
Từ công thức 3-51 ta có
A
tt
A
t
hq
=
hay
1
0
0
+=
+
=
A
tt
A
AA
t
t
A
t
h
H
HH
q
Trong đó
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 13 -
t
: Độ mở cánh hớng nớc tại thời điểm t.
Với pha thứ nhất:
1
111
+=
AA
hq
Từ biểu thức (3-31):
2
1
1
011
A
AA
h
qh
=+
Bình phơng hai vế rồi giải phơg trình này, sẽ đợc:
()
(
)
(
)
++=
2
0
2
1
2
2
10
2
101
2
AAAA
qqqh
(3-32)
Chú ý rằng (3-32) thành lập nên trên cơ sở (3-26) tức là giả thuyết Q phụ thuộc độ mở
và
H hoàn toàn đúng với turbin xung kích.
Nh vậy có thể thay
0
max
0
0
==
Q
Q
q
A
A
vào công thức (3-32)
Đối với turbin phản kích:
A
t
t
A
h
Q
Q
q += 1
'
'
max
0
Trong đó:
Q
t
, Q
max
: Lu lợng quy dẫn tai thời điểm t và lu lợng quy dẫn lớn nhất lấy theo
đờng đặc tính hình 3-7b với turbin đã chọn cho trạm thuỷ điện.
t
h
A
A
h
1
m
A
h
f
tmt
ff
2t00mt
ff
2t
f
t
m
h
A
1
A
h
t
A
h
T
S
(a)
(b)
Hình 3-10. Hai dạng nớc va
a- Nớc va pha thứ nhất; b- Nớc va pha giới hạn
3.1.5.2. Nớc va pha giới hạn
Từ biểu thức (3-31) viết cho pha thứ m-1 và m:
=
2
1
1
01
1
2
m
A
i
A
m
AA
m
h
h
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 14 -
=
1
1
0
1
2
m
A
i
A
m
AA
m
h
h
Trừ biểu thức trên cho biểu thức dới:
22
1
1
A
m
A
m
A
m
A
m
hh
+
=
Khi đạt đến giới hạn
A
m
A
m
hh =
1
với 1+=
A
tt
A
t
hq
Phơng trình trên thành:
()
A
m
A
mmm
h
h
=+
1
1
Thay
mmm
=
1
, rồi bình phơng và giải phơng trình trên đợc:
()
+
= 4
2
2
mm
m
A
m
h
Nếu đóng, mở turbin theo luật bậc nhất, tức là qua mỗi pha chênh lệch độ mở bằng nhau và
bằng:
s
T
c
L2
=
Khi đó đặt:
ss
m
TgH
LV
cT
L
gFH
cQ
0
max
0
max
2
2
===
Thì phơng trình trên thành:
+= 4
2
2
A
m
h (3-33)
Trong đó:
: Hệ số phụ thuộc đờng ống, T
S
, vận tốc và cột nớc ban đầu. Dấu cộng tơng ứng với
trờng hợp đóng turbin, Dấu trừ tơng ứng với trờng hợp mở turbin,
3.1.5.3. Điều kiện phát sinh nớc va pha thứ nhất và nớc va pha giới hạn
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 15 -
0
0.2
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
0.4
0.6
0.8
1.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
+
0
nớc va trực tiếp
III
nớc va dơng
I
nớc va âm
y > y
1
m
y > y
m
1
II
1
m
II
h > h
h > h
1m
I
Hình 3-11. Biểu đồ phân định các dạng nớc va
Công thức (3-32) và (3-33) cũng có thể tính gần đúng nh sau:
Nếu bỏ qua các trị số vô cùng nhỏ, thì biểu thức toán học có thể viết gần đúng bằng:
2
11
x
x ++
Từ đó có thể giải các phơng trình trên với nghiệm gần đúng:
+
=
0
1
1
2
A
h
(3-32*)
=
2
2
A
m
h (3-33*)
Từ hai biểu thức trên có thể thấy khi
A
m
A
hh >
1
sẽ xảy ra khi 1
0
<
và ngợc lại khi
1
0
>
sẽ có
AA
m
hh
1
> .
Thờng với trạm thuỷ điện, đờng ống bằng thép C = 750
ữ1200 m/s, vận tốc kinh tế trong
đờng ống V
max
= 3ữ6 m/s. Từ đó với trờng hợp đóng turbin, ở trạm thuỷ điện có cột nớc cao,
H > 100
ữ250 m thờng xẩy ra nớc va pha thứ
nhất. Còn ở trờng hợp H < 70
ữ150 m thờng xẩy
ra nớc va giới hạn.
Cũng có thể xác định vùng xẩy ra tình trạng
khác nhau trên biểu đồ hình 3-11.
3.1.6. Nớc va trực tiếp v nớc va gián tiếp
3.1.6.1. Nớc va trực tiếp
Trong tính toán áp lực nớc va ở trên, nếu ở
cuối pha thứ nhất turbin đã đóng xong hoàn toàn,
tức là:
h
1
q
q
A
q
A
0
0
2
A
q
3
A
A
A
0
4
B
B
2
(m+1)
A
A
m
m
q
2h
va trực tiếp
va
gián
tiếp
0
B
Hình 3-12. áp lực nớc va trực
tiếp và gián tiếp trên biểu đồ
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 16 -
c
L
T
s
2
Khi đó có thể tính đợc áp lực nớc va ở cuối pha thứ nhất bằng công thức (3-32) với
1
=
0, sẽ đợc:
AA
qh
01
2
=
hay là:
g
cV
Q
Q
FgH
cQ
H
H
A
A
0
max
0
0
max
0
1
2
2
==
(3-34)
Trờng hợp này gọi là nớc va trực tiếp, áp lực do nớc va rất lớn, thí dụ với c = 750
ữ1200m/s, V = 3 ữ 6 m/s:
360225
0
1
1
ữ=
=
H
H
h
A
A
Vì vậy trong thiết kế phải tránh không để xẩy ra tình trạng này.
Với phơng pháp tính nớc va bằng dồ giải cũng có thể thấy trong tình trạng nớc va trực
tiếp, ngay cuối pha thứ nhất độ mở
1
= 0, đờng đặc tính trùng với trục tung và trị số
A
h
1
rất lớn
(hình 3-12)
3.1.6.2. Nớc va gián tiếp
Trờng hợp thời gian đóng, mở turbin
c
L
T
s
2
>
, áp lực nớc va từ cuối pha thứ nhất sẽ gồm
hai thành phần: thành phần thứ nhất là áp lực sóng thuận, phát sinh do đóng turbin gây ra
()
1
0
1
t
A
t
VV
g
c
h =
Thành phần thứ hai do sóng phản xạ, chính là từ sóng thuận trớc đó một thời đoạn
c
L
2
phản xạ từ mặt cắt B về A, nó mang dấu ngợc với sóng thuận. Vậy:
()
=
c
L
t
t
A
t
VVVV
g
c
h
00
Cứ nh vậy mà tính đợc áp lực nớc va gián tiếp và vì vậy trị số của nó không lớn do có
sóng phản xạ.
3.1.6.3. Nớc va trực tiếp xẩy ra ở độ mở nhỏ
Khi đóng turbin theo luật bậc nhất từ độ mở
ban đầu:
s
f
T
t
*
0
, khi đó thời gian để sóng phản
xạ đầu tiên truyền về tới cửa van lớn hơn thời gian
đóng hoàn toàn từ độ mở
*
0
, khi này sẽ sinh ra
nớc va trực tiếp, với
*
0
V
g
c
h
A
=
1.0
h
h
1
h
m
0
2
Hình 3-13. Biểu đồ phạm vi xuất
hiện các dạng nớc va
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 17 -
*
0
V : Vận tốc ứng với độ mở
*
0
Khi này phải so sánh với áp lực nớc va đã tính khi đóng turbin từ độ mở lớn nhất đến độ
mở bằng không. Nếu thấy lớn hơn thì phải thay đỏi luật đóng mở để kéo dài thời gian đóng ở giai
đoạn cuối cùng này.
Có thể tính toán nh sau:
Điều kiện giới hạn nớc va trực tiếp trong trờng hợp này là:
==
ss
f
TgH
LV
T
t
0
max
0
(3-35)
Độ mở ban đầu để xuất hiện nớc va trực tiếp
=
0
gọi là độ mở giới hạn. từ công thức
(3-57*) thấy khi đó
h
A
= 2. Trên hình 3-13 là phạm vi xuất hiện các dạng nớc va. Nếu đóng
turbin từ độ mở nhỏ
*
0
cũng có thể thấy đờng () trên hình 3-13.
3.1.7. Phân bố áp lực nớc va theo chiều di ống
3.1.7.1. Tính toán trị số áp lực nớc va tại mặt cắt bất kỳ
Để xác định sự phân bố áp lực nớc va dọc theo chiều dài ống, có thể dựa vào hệ phơng
trình dây chuyền (3-24), (3-25) để tính toán áp lực ở những mặt cắt trung gian:
Với mặt cắt C cách mặt cắt tại cửa van A một đoạn x, hai phơng trình trên viết thành:
=
C
t
A
c
x
t
C
t
A
c
x
t
gF
c
hh
=
C
t
B
c
xL
t
C
t
B
c
xL
t
gF
c
hh
Sau khi đã tính toán nớc va biết đợc tất cả các trị số h
A
, Q
A
, Q
B
ở tất cả các thời điểm, trị
số h
B
luôn bằng 1.
Từ đó nếu công hai phơng trình trên, sẽ đợc:
=
A
c
x
t
B
c
xL
t
C
t
gF
c
h
2
Trừ hai phơng trình trên sẽ đợc:
c
hhgF
QQQ
A
c
x
t
B
c
xL
t
B
c
xL
t
A
c
x
t
C
t
++=
3.1.7.2. Sơ đồ phân bố áp lực nớc va
Từ các trị số áp lực nớc va tại các mặt cắt của đờng ống, có thể dựng lên sơ đồ phân bố
áp lực nớc va theo chiều dài ống với các dạng sau:
1). Phân bố áp lực nớc va dơng.
Trong thiết kế thờng không tính toán trị số nớc va ở tất cả mọi tiết diện của ống dẫn, mà
chỉ tính một số trị số mặt cắt đặc biệt và từ đó vẽ sơ đồ phân bố áp lực. Thực tế tính toán và
nghiên cứu thấy rằng:
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 18 -
Nếu nớc va thuộc dạng pha thứ nhất thì quy luật phân bố theo đờng cong lõm. Nếu ở
dạng nớc va giới hạn thi quy luật phân bố gần nh đờng thẳng.
Trong tính toán phân bố nớc va dơng, ngời ta bỏ qua tổn thất thuỷ lực trong ống dẫn.
2). Phân bố áp lực nớc va âm cũng với cách tính nói trên có thể tính đợc trị số nớc va
âm. Trong trờng hợp này phải tính đến tổn thất cột nớc do ma sát. Tính trị số nớc va âm để
kiểm tra sự xuất hiện chân không trong ống dẫn khi suất hiện nớc va âm. Nếu ở một vị trí nào
đó đờng đo áp thấp hơn vị trí đặt ống, khi đó có nghĩa là áp suất trong ống tại đó thấp hơn áp
suất khí quyển, có thể xảy ra hiện tợng ống bị bẹp, nếu độ cứng không đảm bảo. Do đó khi thiết
kế cần tránh xảy ra trờng hợp này.
Nớc va âm thông thờng xảy ra ở trờng hợp nớc va pha thứ nhất, do đó biểu đồ phân bố
áp lực theo quy luật đờng cong lõm.
Đờng tổn thất thuỷ lực h
w
tính với lu lợng dòng chảy ổn định sau khi tăng tải.
Hình 3-14. Sơ đồ phân bố áp lực nớc va dọc theo chiều dài ống
3). Phân bố áp lực nớc va trực tiếp
Khi thời gian đóng mở turbin
c
L
T
s
2
< trong ống xuất hiện nớc va trực tiếp. Trị số lớn
nhất của áp lực nớc va
V
g
c
H =
Phần đờng ống trớc thời điểm đóng hoàn toàn sóng phản hồi đã lan truyền đến, chịu áp
lực nớc va gián tiếp. Phần đờng ống còn lại có chiều dài x tính từ cửa van sẽ chịu nớc va trực
tiếp.
Có thể tính chiều dài x nh sau:
c
xL
c
x
T
s
=+
2
2
s
cT
Lx =
3.1.8. Tính toán nớc va trong đờng ống phức tạp
3.1.8.1. Đờng ống gồm nhiều đoạn có chiều dầy khác nhau
Trong trờng hợp đờng ống dài cột nớc làm việc lớn, ngời ta có thể làm ống gồm nhiều
đoạn có chiều dầy khác nhau để tiết kiệm vật liệu. Khi đó vận tốc truyền sóng va ở mỗi đoạn
khác nhau. Trong tính toán hệ phơng trình dây chuyền có thể làm nh sau:
1). Tính với mỗi đoạn ống theo hệ số đặc trng
khác nhau
0
max
2gH
Vc
i
i
=
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 19 -
Trong đó:
C
i
: Vận tốc truyền sóng nớc va trong đoạn thứ i
Từ đó chọn mặt cắt phân cách giữa hai đoạn ống để viết hệ phơng trình dây chuyền cho
đoạn ống dới với
i
và đoạn ống trên với
i+1
.
Giải hệ phơng trình này sẽ đợc áp lực nớc va tại các mặt cắt phân cách.
Hình 3-15. Sơ đồ tính toán nớc va trong đờng ống phức tạp
(a). ống phân nhánh; (b). ống nối tiếp
2). Cách thay ống gồm nhiều đoạn bằng một đoạn tơng đơng.
Coi thời gian truyền sóng va trong ống tơng đơng bằng tổng thời gian truyền sóng trong
các đoạn ống:
3
3
2
2
1
1
2
22
2
c
l
c
l
c
l
c
L
t
f
++==
Nh vậy ống tơng đơng sẽ có vận tốc truyền sóng:
=
=
n
i
i
i
c
l
L
c
1
(3-36)
Trong đó:
l
i
. c
i
: Chiều dài và vận tốc truyền sóng va trong mỗi đoạn ống.
Chú ý rằng để tránh tăng tổn thất cột nớc, thờng các đoạn ống vẫn giữ cùng một đờng
kính trong, chỉ khác nhau về chiều dầy, do đó trong tính toán các đoạn ống khác nhau về vận tốc
truyền sóng c.
3.1.8.2. Đờng ống phân nhánh
Nếu với ống phân nhiều nhánh, mỗi nhánh nối với một turbin (hình 3-15a), viết phơng
trình dây chuyền cho mặt cắt A và C
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 20 -
Theo nhánh 1:
=
C
t
A
c
l
t
C
t
A
c
l
t
qqhh
1
1
1
1
2
Theo nhánh 2:
=
C
t
A
c
l
t
C
t
A
c
l
t
qqhh
2
2
2
2
2
Theo nhánh 3:
=
C
t
A
c
l
t
C
t
A
c
l
t
qqhh
3
3
3
3
2
Cộng với phơng trình liên tục tại mặt cắt C:
=
=
n
1i
nhánhốngchínhống
tt
và nguyên lý cộng
tác dụng: tại mặt cắt C : trị số áp lực tăng (giảm) ở ống chính bằng tổng các trị số áp lực tăng
(giảm) ở các ống nhánh.
Với các phơng trình đó cộng với các điều kiện biên tại mặt cắt A (của các ống nhánh) và
mặt cắt B của ống chính, sẽ giải đợc các trị số
t
H ,
t
Q tại A và C trong nớc va.
3.1.9. Các biện pháp giảm áp lực nớc va
Qua phân tích và tính toán trên thấy nớc va làm gia tăng áp lực trong đờng ống dẫn nớc
và các bộ phận dẫn nớc , gây cản trở trong quá trình điều chỉnh công suất, tăng thêm sự chênh
lệch mô men trong quá trình điều chỉnh. Do đó trong thiết kế phải tính toán các trờng hợp và trị
số nớc va, cố gắng đề cập các giải pháp giảm bớt áp lực nớc va, từ đó giảm chiều dầy thành
ống dẫn và giảm thấp sự mất cân bằng tạm thời của tổ máy.
Trong công thức tính toán nớc va đã trình bày trên, thấy rằng những trị số có ảnh hởng
nhiều đến áp lực nớc va nh vận tốc dòng chảy trong ống dẫn V, thời gian một pha nớc va t
f
và
thời gian đóng mở tur bin T
S
Từ đó tác động đến những trị số này có thể làm giảm bớt áp lực
nớc va.
3.1.9.1. Thay đổi kích thớc đờng ống dẫn
Tăng tiết diện ống dẫn sẽ giảm đợc vận tốc dòng chảy trong ống V, từ đó sẽ giảm đợc áp
lực nớc va, đồng thời giảm đợc tổn thất cột nớc . Nhng nh vậy sẽ tăng chi phí đầu t vào
đờng ống. ậ chơng đờng ống dẫn nớc cho trạm thuỷ điện đã tính toán kinh tế để chọn ra
đờng kính hợp lý. Nếu chọn đờng kính qúa trị số trên cần phải tính toán cụ thể để có luận
chứng so sánh.
3.1.9.2. Giảm chiều dài đờng ống dẫn
Giảm chiều dài đờng ống dẫn sẽ giảm đợc thời gian một pha nớc va t
f
, từ đó giảm đợc
áp lực nớc va. Nhng điều này còn phụ thuộc điều kiện địa hình, địa chất. Giảm chiều dài ống
thờng phải tăng độ nghiêng tuyến ống, nh vậy dẫn đến khối lợng đào lớn hoặc tăng khối
lợng các mố ôm giữ ống. Do đó cũng phải tính toán kinh tế để chọn tuyến ống hợp lý nhất
3.1.9.3. Xây dựng tháp điều áp
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 21 -
Min
Max
c
a
b
8
6
2
4
3
1
5
0
7
Hình 3-16. Đờng đo áp khi sẩy ra nớc va
Đờng chấm: 056, 078: Khi có tháp điều áp; Đờng liền nét: 012, 034: Khi không có tháp điều áp;
a- Đờng hầm dẫn nớc; b- Tháp điều áp; c- Đờng ống dẫn nớc vào Tur bin.
Với trạm thuỷ điện có đờng dẫn dài, áp lực nớc va lớn, phải làm tháp điều áp để tạo ra
một mặt thoáng trên đờng dẫn, giải phóng áp lực nớc. Từ đó chiều dài phần đờng dẫn ống
trong tính toán nớc va chỉ là từ pháp điều áp đến bộ phận hớng nớc của tur bin. Nh vậy
giảm đợc áp lực nớc va rất nhiều, tuỳ theo vị trí của tháp.
Nhng chí phí đầu t cũng tăng lên vì chi phí xây dựng tháp khá lớn. Trong phần tháp điều
áp dới đây cũng đa ra những tiêu chuẩn phải xây tháp, xuất phát từ điều kiệ tính toán kinh tế.
3.1.9.4. Tăng thời gian đóng tur bin.
Trị só áp lực nớc va phụ thuộc rất nhiều vào thời
gian đóng mở Turbin T
S
. Tăng T
S
sẽ giảm đợc áp lực nớc
va tơng đối , nhng tăng T
S
làm cho tỉ số vòng quay lớn
nhất
0
max
max
n
n
=
tăng lên,
max
n : số vòng quay lớn nhất
của tur bin khi có nớc va;
0
n
: số vòng quay định mức của tur bin. Hình 3-17
biểu thị sự quan hệ giữa
S
T ,
max
và
max
.
Trong điều kiện thờng phải giới hạn
65,150,1
max
ữ
, để tránh cho lực ly tâm lớn có thể phá
hỏng các bộ phận quay.
3.1.9.5. Định quy trình đóng mở lợi nhất
Khi tính toán áp lực nớc va, thấy rằng trị số này thay đổi trong quá trình đóng mở turbin.
Nếu thay đổi quy trình đóng mở sao cho áp lực nớc va
H ở các pha đều bằng nhau, thì sẽ
là quy trình đóng mở lợi nhất.
ở trên đã tính đợc ở cuối pha thứ nhất:
2
1
1
011
A
AA
h
qh
=+
T
s
max
max
Hình 3-17. Quan hệ giữa
S
T ,
max
và
max
.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 22 -
Từ đó:
12
2
1
10
1
+
=
A
AA
h
hq
Nếu muấn cho áp lực nớc va ở các pha đều bằng nhau và bằng
A
c
h , thì ngay cuối pha thứ
nhất phải có độ mở turbin
1
bằng:
12
2
0
1
+
=
A
c
A
c
A
h
hq
Giữa pha m-1 và m, ở trên đã tính đợc:
A
m
A
m
h
h
=+
1
Từ đó, muốn có
A
m
h
luân bằng
A
c
h
thì phải có:
A
c
A
c
h
h
+
=
1
NH vậy nếu định ra một trị số
A
c
h sẽ tính đợc
1
và
. Từ đó tính ra số pha đóng kín
cửa van và thời gian đóng mở
S
T . Tất nhiên phải chọn
A
c
h sao cho
S
T không vợt quá giới hạn.
thông thờng
S
T
không vợt quá 10 sec.
(a)
C
C
B
Z
8,6
B
A
A
T
s
max
h
0
1
t
1
c
h
(b)
Hình 3- 18. Quy trình đóng mở bảo đảm cho áp lực nớc va không thay đổi trị số
a- áp lực nớc va; b- Quy trình đóng mở
3.1.9.6. Van xả không tải
Van này đặt ngay sau tiết diện vào của buồng xoắn. Nguyên lý làm việc của nó nh sau:
Khi có sự cố, turbin đóng nhanh theo hành trình a, van xả không tải 1 tự động mở theo
hành trình
x
S xả nớc xuống hạ lu không qua turbin. Sau khi turbin đã đóng kín, van xả đóng
lại từ từ trong thời gian
x
T .
Kết quả là turbin vẫn đóng kín sau thời gian
S
T
, nhng thời gian đóng van cuối ống thì lai
kéo dài bằng
xS
TTT += , nh vậy áp lực nớc va sẽ giảm thấp vì tính với thời gian đóng lại A
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 23 -
bằng
xS
TTT +=
. Nhng sẽ có một phần lu lợng
x
Q
phải tháo ra hạ lu. Đờng lu lợng
tháo ra hạ lu theo hình 3-19c.
(c)
T
s
0
T
x
x
S
a
T
Q
Q
x
+Q
T
Q
Q
x
t
t
(b)
(a)
4
3
2
1
A
A
Hình 3-19. Van xả không tải
a- Sơ đồ; b- Quá trình độ mở; c- Quá trình lu lợng
1- Van xả không tải; 2- ống dẫn nối với buồng turbin;
3- ống dẫn nớc ra; 4- Bộ phận điều khiển
0
0,4
0,1 0,2
0,8
1,2
1,6
2,0
x
S
D
x
Q'
1x
Hình 3-20. Đờng đặc tính lu lợng van xả không tải
Đờng kính van xả không tải tính theo công thức:
)1(
0
'
1
max
A
x
x
x
hHQ
Q
D
+
=
(3-37)
Trong đó:
maxx
Q : Lu lợng yêu cầu xả lớn nhất qua van xả không tải, có thể lấy bằng lu lợng
lớn nhất của turbin.
'
1x
Q : Lu lợng quy dẫn của van xả không tải (lu lợng của van tính với
x
D = 1m, H =
1 m) đợc xác định theo đồ thị thí nghiệm của từng loại van và phụ thuộc vào hành trình tơng
đối của van
xz
DS
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 24 -
A
h : Trị số tơng đối của áp lực nớc va lớn nhất tại A-A, trong trờng hợp có van xả
không thờng lấy
A
h = 0,15 ữ 0,2
Cần chú ý rằng với van xả không tải phải yêu cầu có độ tin cậy cao. Cần có giải pháp điều
chỉnh dự phòng khi có sự cố turbin phải đóng nhanh mà van xả không tải không mở kịp thời.
3.2. Tháp điều áp
3.2.1. Tác dụng, điều kiện ứng dụng v các loại tháp điều áp
3.2.1.1. Tác dụng
Nh trên đã thấy, đờng ống dẫn nớc vào turbin của trạm thuỷ điện, ngoài áp lực nớc
thông thờng, còn phải chịu thêm áp lực nớc va khi đóng mở turbin.
Nếu tạo ra một mặt thoáng ở một vị trí nào đó trên đờng ống, thì ở đó áp lực nớc va đợc
giải phóng và từ vị trí này trở lên thợng lu đờng ống sẽ không chịu áp lực nớc va nữa.
Tháp điều áp (TĐA) chính là một bộ phận tạo ra mặt thoáng (hình 3-21) nói trên. Do đó nó
có tác dụng giữ cho đờng hầm dẫn nớc phía trớc tháp khỏi bị áp lực nớc va. Ngoài ra nó còn
làm giảm nhỏ áp lực ở phần đờng ống dẫn nớc từ tháp vào turbin.
Hình 3-21. Sơ đồ đặt tháp điều áp
1-tháp điều áp phía thợng lu; 2- tháp điều áp phía hạ lu; 3- nhà máy thuỷ điện; 4-
đờng hầm dẫn nớc; 5- đờng ống áp lực dẫn nớc vào turbin
3.2.1.1. Điều kiện và vị trí đặt tháp
ở trên đã nói về tác dụng của tháp điều áp. Tuy nhiên có xây dựng tháp điều áp hay không
phải căn cứ vào hiệu quả kinh tế; nếu thấy chi phí để xây tháp nhỏ hơn chi phí giảm bớt do đờng
hầm dẫn nớc không phải chịu áp lực nớc va, thì xây dựng tháp điều áp là hợp lý; trờng hợp
ngợc lại, chi phí để xây tháp lớn hơn chi phí giảm bớt của đờng hầm dẫn nớc do hiệu quả của
tháp đem lại, thì không nên xây dựng tháp điều áp.
Tiêu chuẩn gần đúng cần thiết phải xây dựng tháp điều áp có thể căn cứ vào hằng số quán
tính của đờng ống:
ữ>= s
F
l
gH
Q
T
i
i
w
63
0
max
(3-38)
Khi trạm thuỷ điện vận hành độc lập hoặc là khi tỉ trọng của nhà máy trong hệ thống điện
vợt quá 50% lấy số nhỏ khi tỉ trọng nhỏ hơn 10
ữ 20% lấy trị số lớn.
Trong công thức trên: Q
max
- lu lợng lớn nhất chảy trong đờng ống: H
0
- cột nớc tính
toán; l
i
, F
i
- tơng ứng là chiều dài và diện tích đoạn đờng hầm thứ i.
Với tác dụng nêu trên, rõ ràng là vị trí của tháp càng gần nhà máy càng có lợi. Nhng
thông thờng nh vậy chiều cao của tháp càng phải tăng. Dung hoà hai đặc điểm này tháp thờng
đặt ở chỗ bắt đầu chuyển sang độ dốc lớn của tuyến ống.
www.vncold.vn
www.vncold.vn Hi p ln Vit Nam
- 25 -
Trong trờng hợp đờng hầm thoát nớc từ turbin ra hạ lu quá dài, có khi cũng phải đặt
tháp điều áp cho đờng thoát. Khi đó tháp ở gần turbin là hợp lý.
3.2.1.3. Nguyên lý làm việc của tháp điều áp
3.2.1.3.1. Trờng hợp giảm tải
Hình 3-22. Sơ đồ dao động mực nớc trong tháp điều áp
Khi giảm tải đột ngột turbin từ Q
0
xuống Q
1
. Do quán tính của dòng chảy, lu lợng vào
đờng hầm dẫn nớc vẫn là Q
0
, nh vậy sẽ có một trị số lu lợng Q = Q
0
- Q
1
chảy vào tháp,
làm cho mực nớc trong tháp dâng lên dần, từ đó độ chênh lệch mực nớc giữa thợng lu (trong
hồ chứa) và trong tháp giảm dần, dẫn đến vận tốc dòng chảy giảm dần, do đó lu lợng trong
đờng hầm giảm dần. Nhng cũng do quán tính của dòng chảy, mực nớc trong tháp không dừng
ở mực nớc tơng ứng với lu lợng Q
1
trong đờng hầm mà vẫn tiếp tục dâng lên thậm chí cao
hơn cả mực nớc thợng lu. Sau đó, để cân bằng thuỷ lực nớc phải chảy ngợc trở lại về
thợng lu, mực nớc trong tháp hạ xuống. Nhng cũng do lực quán tính nó lại hạ xuống quá
mức nớc cân bằng và dòng chảy lại chảy vào tháp. Cứ nh vậy, mực nớc trong tháp dao động
theo chu kỳ và tắt dần do ma sát. Cuối cùng mực nớc trong tháp dừng ở mực nớc ổn định mới
ứng với lu lợng Q
1
(hình 3-22).
Trờng hợp giảm tải trong thiết kế thờng tính với mực nớc thợng lu cao nhất và cắt tải
lớn nhất (thờng là cắt toàn bộ công suất lớn nhất của nhà máy) để xác định mực nớc cao nhất
của tháp điều áp (Z
max
).
3.2.1.3.2. Trờng hợp tăng tải
Khi lu lợng qua turbin tăng đột ngột mực nớc trong tháp hạ xuống đến trị số Z
min
và
cũng dao động theo chu kỳ và tắt dần ngợc lại với trờng hợp trên.
Trong thiết kế thờng tính với mực nớc thấp nhất ở thợng lu và mức tăng tải lớn nhất có
thể xảy ra trong vận hành để xác định mực nớc thấp nhất của tháp (Z
min
).
3.2.1.4. Các kiểu tháp điều áp
Chọn kiểu tháp điều áp phải xuất phát từ các nguyên tắc sau:
- Giá thành công trình thấp nhất;
- Bảo đảm các tổ máy làm việc ổn định;
- Triệt tiêu dao động nhanh
a- Theo hình dạng cấu tạo thờng gặp các kiểu tháp sau:
1). Tháp điều áp kiểu viên trụ
Tháp điều áp kiểu viên trụ (hình 3-23a) là một giếng đứng hoặc nghiêng có tiết diện không
thay đổi. Kiểu này có kết cấu đơn giản, dễ thi công, tính toán thiết kế cũng đơn giản. Nhng có
nhợc điểm cơ bản nhất là ở chế độ ổn định khi dòng chảy qua tháp tổn thất thuỷ lực cục bộ ở
www.vncold.vn
