Bài giảng - Thủy điện 2- chương 2 ppt

17


Chương II. CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA TURBINE THUỶ LỰC

Ở chương I chúng ta nghiên cứu khái quát về các loại turbine và tính năng ứng
ứu cụ thể hơn về cấu tạo, công dụng
bộ phận chính
ine
ệ
ểu stator : kiểu cột đỡ riêng rẽ và kiểu vòng (a).
ử dụng kiểu vòng để tăng độ cứng, còn kiểu cột
ng rẽ
dụng của từng loại turbine. Chương II sẽ nghiên c
của các bộ phận chính của turbine và tìm hiểu các xác định kích thước của chúng. Ngoài
BXCT, các bộ phận chính của turbine gồm: thiết bị dẫn nước (buồng turbine), thiết bị
tháo n
ước (ống xả), phần tĩnh (stator), cơ cấu hướng dòng (CCHD) v.v
.
II. 1. VÒNG BỆ, CƠ CẤU HƯỚNG DÒNG, TRỤC CỦA TB. PHẢN KÍCH
Như trên đã nói, ngoài BXCT, turbine phản kích còn có những
rục và ổ trục của turbsau đây: vòng bệ của turbine, cơ cấu hướng dòng, t
II. 1. 1. Vòng bệ (Stator) của turbine:
Vòng bệ của turbine (hình 1-6 và 2-1) là phần cố định của turbine, có tác dụng
máy, sàn và b
truyền xuống móng nhà máy các tải trọng gồm trọng lượ
ng toàn bộ tổ
máy phát điện, áp lực nước dọc trục tác dụng lên BXCT và khối bê tông phủ lên nó
v.v Stator bao gồm một số cột chống 2 với tiết diện ngang hình đường dòng, liên kết
với vành đỡ trên 1 và dưới 3. Có hai ki
Phần lớn các turbine phản kích đều s

riê chỉ sử dụ
ng cho buồng xoắn bê tông cốt thép, ở đó ổ chặn không lắp trên nắp
turbine. Số lượng cột stator bằng một nửa số cánh hướng nước.


Hình 2-1. Vòng bệ và CCHD của turbine

Để xác định kích thước buồng xoắn cần phải biết hình dạng và các kích thước của vòng
bệ và cánh hướng dòng.Hình kích thước vòng bệ (stator) 2-1,b và bảng (2-1) xác định
18
của turbine. Trong bảng: D
a
, D
b
là đường kính ngoài và trong của vòng bệ, b
0
là chiêu
cao cánh hướng dòng (bảng 6-5 và 6-6 chương VI), Z
0
là số lượng cánh hướng dòng.
Bảng 2-1. Bảng kích thước vòng bệ ( đơn vị cm)
D
1
D
0
Z
0
Cho buồng xoắn bê tông cốt thép Cho buồng xoắn kim loại
cán D D D R h h D D D R H
h

b a 4 1 2 b a 4
180 220 16 260 305 330 20 21
200 240 16 285 335 360 20 23
225 275 16 320 375 400 20 23
250 290 24 340 390 400 28 32 23 330 390 415 25 25
280 325 24 382 438 448 30 35 25 372 438 463 25 25
320 375 24 437 500 510 30 40 30 426 500 535 30 32
360 420 24 485 500 570 35 40 30 480 555 590 35 35
400 465 24 542 620 630 35 45 35 532 615 650 35 41
450 525 24 610 700 710 40 45 45 600 695 735 40 41
500 580 24 675 777 780 40 50 40 660 765 805 40 46
550 24 745 855 805 50 50 40 730 845 885 50 46 640
600 700 24 875 935 945 50 55 45 800 925 965 50 50

II. 1. 2. Cơ cấu hướng dòn
ồng turbine 1 chảy vòng qua các cột stator 2, chảy qua khe
hở giữa
yến và
rò nước cần có đệm chống rò bằng cao su.
Bộ phậ
n 5 từ máy điều tốc quay kéo tay quay 6 và thanh kéo 7 làm
quay v
g (CCHD):
Nước lần lượt từ bu
các cánh hướng dòng 3, ở đây lưu lượng được điều chỉnh do thay đổi khe hở
giữa các cánh trước khi vào BXCT 4 (hình 1-6 và 2-2,a).Cơ cấu này có tác dụng sau:
- Hình thành hướng dòng chảy nhất định ở trước BXCT;
- Điều chỉnh lưu lượng nước vào turbine, do đó thay đổi công suất của turbine.
Bộ phậ
n CCHD gồm có hai thành phần chính: các cánh hướng dòng hình lưu tu

cơ cấu quay cánh. Mỗi cánh hướng nước có thân 3 và trục cánh 5. Đầu trên trục cánh
được lồng vào các lổ khoét ở nắp TB, còn đầu dưới thì được lắp vào vành dưới, nhờ đó
các cánh có thể quay được quanh trục của nó để thay đổi độ mở a
0
của CCHD. Khi cánh
hướng nước đóng hoàn toàn a
0
= 0, để giảm
n quay cánh hướng dòng gồm có các chi tiết: nắp turbine 6 chứa ổ trục trên của
cánh, vòng dưới chứa ổ trục dưới của cánh, các cánh hướng 3 và cơ cấu tay quay 7. Độ
mở a
0
dược thay đổi như nhau cho các cánh nhờ vòng điều chỉnh 8 của CCHD. Nhờ
chuyển động tịnh tiến hai cần 10 của hai động cơ tiếp lực 9 của máy điều tốc mà vòng
điều chỉnh 8 xoay, kéo theo CCHD xoay để dẫn vào BXCT lưu lượng yêu cầu.
Hình 2-2,b là sơ đồ đơn giản của CCHD dùng cho TB nhỏ trục đứng buồng hở.
Nước từ buồng hở qua khe hở giữa các cánh 2 vào BXCT 11. Điề
u chỉnh độ mở a
0
theo
yêu cầu nhờ trục diều khiể
òng điều chỉnh 8 tác thay đổi trục 4 làm cánh hướng 2 xoay quanh trục 10 của nó.

Hình 2-2. Bộ phận xoay CCHD

II. 1. 3. Ổ trục và trục turbine:
Trục turbine được dùng để truyền mô men xoắn từ BXCT đến rôtor máy phát
ống dẫn dầu (đối với cánh quay),
ẫn khí
điện Trục turbine trục đứng bên trong rỗng để lắp các

d xuống BXCT để phá chân không cho turbine tâm trục và đường dây điện v.v
Ổ trục định hướng để định tim trục, được bôi trơn bằng dầu hoặc bằng nước. Lo
ại bôi
trơn bằng nước thường được lắp ở trên nắp turbine. Loại bôi trơn bằng dầu khoáng thì
tấm bạc của ổ trục làm bằng hợp kim babít.
Hình 2-3 là đồ thị xác định đường kính trục turbine. Đường kính trục phụ thuộc
vào mômen xoắn của dòng chảy M
kp
= 97400.N/n ( kGcm).
Trong đó N (kW) và n (vòng/phút). Có M
kp
tra ra đường kích trục turbine D
B
(mm).



Hình 2-3. Biểu đồ quan hệ đường kính trục và công suất turbine.

19
20
nh lượng chảy vòng tại cửa vào CCHD. Buồng turbine cần
bảo đảm những yêu cầu chính sau:
- Dẫn nước đều đặn lên chu vi các cánh hướng dòng để tạo nên dòng chảy đối xứng
ới trục quay c
- Thuận tiện cho việc bố trí turbine và thiết bị phụ của nó trong gian máy của TTĐ.
òn không đều ổ trụ
à đường

II. 2. THIẾT BỊ DẪN NƯỚC CỦA TURBINE

Thiết bị dẫn nước (buồng turbine) là phần nối công trình dẫn nước của trạm thủy
điện với turbine và hình thà

v ủa turbine.
- Tổn thất thủy lực trong bu
ồng và đặc biệt là trong CCHD nhỏ nhất.
- Dễ nối tiếp với đường dẫn của trạm thủy điện.
- Buồng có kích thước giảm nhỏ và kết cấu đơn giản.
- Áp lực tác dụng lên BXCT đều nhau để tránh m c.
Dựa vào cột nước và công suất của TTĐ mà buồng turbine có các ki
ểu: buồng
hở, buồng hình ống và buồng xoắn ốc.
II. 2. 1 Loại buồng hở của turbine
Buồng hở là loại đơn giản nhất thường dùng cho cột nước H = 5÷6 m v
kính D
1
< 1,2 m , giới hạn cột nước lớn nhất là 10 m và đường kính D
1
= 1,6m. Sở dĩ có
giới hạn sử dụng trên vì khi cột nước và đường kính lớn thì kích thước của buồng rất
lớn, trục turbine dài và áp lực nước trên thành buồng sẽ lớn. Vì vậy loại buồng này chỉ

Hình 2-4. Buồng turbine hở
.
dùng cho turbine nhỏ. Buồng hở có thể làm bằng gỗ, gạch hoặc đá xây hay bằng bêtông
Buồng hở có thể trục đứng hoặc trục ngang và hở chử nhật hoặc hở xoắn. Buồng hở chữ
nh tạo nên dòng xoáy ở các góc làm tăng tổn thất cột nước. Để khắc phục nhượật dễ c
điểm n
ở.
Chiều dài và chi

1
ày nên dùng buồng hở xoắn. Hình 2-4 thể hiệ
n hình thức các loại buồng h
ều rộng của buồng lấy theo kinh nghiệm A = B = (3- 4).D
, độ nhúng
21
h
min
≥
m đến 25÷30 m. Buồng này được
m bằng ki g dòng 4 dẫn
nư dạng
ứ
c turbine 11 ổ
ine tâm trục t
n của b th đường kính tiêu chuẩ của BXCT
D1, khoả (2,8 -3,5)D
1
, chiều dài buồng khoảng (2,5 - 3)D
1
.
tối thiểu của nắp TB so với mực nước nhỏ nhất trong buồng: (0,9 -1)D
1
.
II. 2. 2. Buồng hình ống
Loại này thường dùng với cột nước H = 6÷7
là m loại chứa các bộ phận của turbine (hình 2-5): chóp nón hướn
ớc vào thuận dòng, các cánh hướng dòng 1, BXCT đặt phía trong CCHD. Hình
của buồng giống một nồi xúpde, nửa trước 5 nối với ống áp lực 7, nửa sau 2 ch a cụm
BXCT và nối với đoạn khuỷu cong 8 của ống xả 12. Trụ tr

ục 10 đưa ra
ngoài buồng và đặt nằm ngang. Loại này dùng với turb rục ngang, loại
turbine nhỏ. Đườ g kính lớn nhất uồng lấy eo
ng



. 2. 3. Buồng xoắn ốc
ày bảo ine nhỏ và đảm bảo chế
t iết diện tròn.
uồng xoắn
l góc
ết diện cửa ra (
r v
ϕ
max
).
Khi
ϕ
max
= 345
0
÷360
0
thì gọi là góc bao hoàn toàn (hình 2-7,a), còn ϕ
max
< 345
0
gọi là
Hình 2-5.Buồng turbine hình ống

II
Buồng xoắn (hình 2-6) là loại được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Loại buồng
n đảm dẫn nước vào TB với kích thước mặt bằng của turb
độ thủy lực tốt nhất.Phụ thuộc vào cột nước buồng xoắn có thể làm bằng bê tông hoặc
kim loại. Buồng bêtông cốt thép đượ
c dùng với cột nước H ≤ 40 m, mặt cắt đa giác. Khi
H > 40 m hường dùng buồng xoắn kim loại hoặc bê tông cốt thép t
Phân loại b tùy thuộc vào góc bao max
ϕ
max
của buồng xoắn , đây à
được tính từ ti
ϕ = 0) đến tiết diện cửa vào của buồng xoắn (ϕ =
buồng xoắn không hoàn toàn ( hình 2-6,c ).
22
rộng gian máy đã cho ) phụ thuộc vào quan hệ giữa tiết diện cửa
ào buồng xoắn đã chọn góc bao. Khi tiết diện cửa vào đã chọn, nếu tăng góc bao, một
đ y đối
í
n b
i nhất .
Kinh nghiệm cho thấy, chiều rộng gian máy là nhỏ nhất khi buồng xoắn có góc
ao
ϕ
m
0
ộ ảm thành
ự
à
cao do lưu lượng tương đối nhỏ, nêncó thể ch n góc bao l n hơn: từ

ϕ
m x
= 270 ÷345 .
Với trạm thuỷ điện đường dẫn và sau đập chọn buồng xoắn góc bao lớn sẽ tiện cho việc
ối tiếp giữa ường ống áp lực với buồ g xoắn.
Kết quả thí nghiệm mô hình cho thấy, tổn thất năng lượng trong turbine, vòng bệ
và CCHD ( khi chiều
v
mặt sẽ làm cho dòng chảy phân bố đều chu vi CCHD, bảo đảm ược dòng chả
ứng trong turbine, nh
ần xoắn và hình
x ưng lại làm tăng vận tốc dòng nước trong ph
ả nthành dòng chảy xoáy, kết qu làm tăng tổ thất năng lượng trong CCHD. Qua th
nghiệm mô hình BXCT đã chọ với các loại uồng xoắn khác nhau người ta lựa chọn
loại buồng xoắn lợ
b
ax
= 180

.Vì vậy đối với TTĐ có c t nước thấp ( kiểu lòng sông ) để gi
xây d
0 0
ng TTĐ nên chọn góc bao 180
÷192 . Đối với TTĐ có cột nước trung bình v
0 0
ọ ớ
a
n đ n
Hình 2-6. Buồng xoắn

Khi cột nước H
≤ 80 m và góc bao ϕ
max
= 270
0
÷345
0
có thể sử dụng buồng xoắn
tiết diện tròn hoặc chữ T. Buồng xoắn kim loại thường có góc bao
ϕ
max
= 345
0
.
Hình dạng tiết diện vào buồng xoắn: Đối với turbine dọc trục cột nước thấp và
vừa thường dùng buồng xoắn có tiết diện chữ T hoặc hình thang, còn đối với TTĐ cột
nước cao 50÷80 m thì tiết diện là hình tròn hoặc ellipse. Hình dạng tiết diện buồng
xoắn còn phụ thuộc vào điều kiện cụ thể xây dựng nhà máy của TTĐ. Trong điều kiện
góc bao như nhau, buồ
ng có tiết diện hình thang bảo đảm kích thước mặt bằng của gian
tổ máy nhỏ nhấ rộng b/a của
tiết diện càng lớ
t, còn tiết diện tròn sẽ lớn nhất và tỉ số chiều cao trên chiều
n thì mặt bằng gian máy càng nhỏ.

23
Tỉ lệ giữa chiều cao và chiều rộng a tiết diện hình chữ T (hình 2-7) nên chọn
theo cấ bằng, kiểu phát triển lên trên so với
k
ết hợp và nếu động cơ tiếp lực đặt ngay trên nắp turbin mà không bố trí ở hầm turbine.

Các góc
γ và δ hì điều kiện thủy lực
trong buồng sẽ kém và khó b ì tăng khoảng cách
ục tổ máy. Kiến nghị dùng như sau:
δ = 20÷35
0
và thường lấy 30
0
. Nói chung, khi

≤ n n thì γ = 1
khác kiến nghị chọn như sau: khi m = 0 hoặc n = 0, b/a = 1,5÷1,85. Khi m và n
≠ 0 thì
củ
u tạo của buồng xoắn, có thể chọn kiểu trần
trục của CCHD kiểu phát triển xuống dưới hoặc kiểu sàn bằng. Các trị số m và n chủ
yếu lựa theo yêu cầu bố trí phần dưới nước của nhà máy, nó không ảnh hưởng mấy đến
đ
iều kiện thủy lực. Khi n = 0 (tức trần bằng) hoặc m > n thì có thể giảm thể tích khối bê
tông phần dưới nước của nhà máy và dễ bố trí động cơ tiếp lực và có thể rút ngắn
khoảng cách giữa các trục tổ máy. Tiết diện chữ T phát triển lên trên so với trục CCHN
chỉ nên dùng khi ở phía dưới buồng xoắn có bố trí đường hầm xả nước của TTĐ xả lũ
không nên quá nhỏ, vì nếu lấy quá nhỏ t
ố trí động cơ tiếp lực, nếu quá lớn th
tr
m
thì γ = 20÷35
0
còn khi m > 0÷20
0

; khi n = 0, γ = 10÷15
0
. Các giá trị
b / a không quá 2÷2,2. Theo quan điểm thủy lực thì tiết diện chữ T đối xứng hoặc gần
đối xứng có tốt hơn chút ít.


Hình 2-7. Các ti ện c ữ T củ ồng xoắn bê tông.
ta giả thiết:
là dòng
ết di h a bu

Buồng xoắn làm nhiệm vụ dẫn nước vào BXCT và hình thành đặc tính của dòng
chảy trước mép vào CCHD. Để thiết kế buồng xoắn người
- Dòng chảy trong buồng xoắn là dòng chảy dừng, đối xứng qua trục quay và
thế; lưu lượng qua tiết diện bất kỳ
Q
lấy theo góc
i
i
ϕ
là:
itt
i
QQ
=
ϕ
;
0
360

- Dòng chảy được coi là tổng hợp của dòng chảy thẳng và dòng xoáy, đ
Γ
π
ặc trưng bởi
lưu lượng Q và lưu số = 2 RV, giả thiết khi thay đổi chế độ làm việc thì Q và Γ thay
24
đổi sao ành phần vận tốc hướng
m C
r
cho các đường dòng trong buồng xoắn không đổi. Th
tâ
phân bố đều theo chu tuyến trước mép vào cánh hướng dòng: C
r =
tt
a
Q
Db
π
0
;
(trong đó: Q
tt
là lưu lượng của turbine, D
a
là đường kính ngoài của cánh hướng dòng, b
0

là chiều cao cánh hướng dòng).
Việc tính toán kích thước buồng xoắn tiến hành trên cơ sở turbine đã được chọn,
tìm ra kích thước mặt cắt và quan hệ giữa chúng và góc. Hiện nay có những phơng pháp

tính toán sau:
* Phương pháp mômen tốc độ vòng là hằng số V
u
.r = K; Phương pháp này dòng
hảy đố ó được áp dụng đối c i xứng qua trục, dòng có thế và bỏ qua tổn thất dòng chảy. N
với buồng xoắn có góc bao
ma
x
ϕ
=−180
360
0
, vì nếu góc nhỏ hơn thì điều kiện dòng
về toán
là hằng số V
u
= K; Phương pháp này giả thiết tốc độ
ư nhau. Nó chưa đủ lập luận khi
ành lập vì nó có những thiếu sót sau:
+ Dòng chảy tính toán theo phương pháp này không hoàn toàn phù hợp thực tế;
Tuy nhiên qua nghiên cứu thấy đối vớ iều kiện xo ương
pháp này phù hợp hơn ng pháp
Vì g pháp n ho
T ước thấp, b ng xoắn bê tông góc bao nhỏ giai đoạn thiết kế ộ.
* Ph ng pháp tốc độ vòng giảm dần từ cửa vào V
u
đến cửa ra từ (0,6÷0,8)V
u
;
Phương pháp này có nh c điểm là tính đối xứng của dòng chảy bị phá h i, nhưng

giảm thước b xoắn. V ó chỉ dùn ine cột n .
ồng xoắn theo hai phương pháp đầu.
chảy sẽ không còn đối xứng qua trục. Phương pháp này khá chính xác và thuận
học nên được áp dụng rộng rãi;
* Phương pháp tốc độ vòng
vòng bình quân ở các mặt cắt ngang buồng xoắn đều nh
th

+ Góc bao càng lớn thì càng không phù hợp.
i góc bao không
V
đủ đ
vậy phươn
ắn thì ph
ày dùng tốt c
phươ
u
.r = K.
TĐ có cột n uồ và sơ b
ươ
ượ oạ
nhỏ kích uồng ì vậy n g với turb ước thấp quá lớn
Sau đây chúng ta nghiên cứu cách tính bu
1. Tính toán thuỷ lực mặt cắt buồng xoắn theo phương pháp V
u
.r = K
Bước này được thực hiện sau khi đã chọn góc bao
max
ϕ
và hình thức buồng

xoắn. Dựa vào nguyên tắc đã nêu ta đi thành lập công thức chung:
là tốc độ trung
= k
Gọi
tt
Q
là lưu lượng lớn nhất qua mỗi turbine;

bình trong mặt cắt buồng xoắn, xác định theo:
tb
V
tb
V
H ( H = 2m thì k = 1; H = 300m thì k = 0,5) hoặc theo đồ thị (hình 2-9,a).
ới yêu c hu vi cơ cấu hướng dòng, vì vậy nếu gọ
là góc
nào đó ứng với tiết diện cần tìm thì lưu lượng qua nó là
V ầu lưu lượng phân bố đều c i
i
ϕ
itt
i
QQ
=
ϕ
0
360
, diện tích mặt
cắt tương ứng là
i

i
tb
tt
i
t
b
F
Q
V
Q
V
==
.
.
ϕ
360
; tương tự với
max
ϕ
ta có:
max
max
.
F
Q
V
tt
tb
=
ϕ

360
.
Nếu cắt một dãi bất kỳ có bề rộng dr, chiều đứng b thì diện tích phân tố dF = b.dr, vậy:
25
; vì V
u
.r = K nên V
u
= K/r, vậy ta có:
i
u
ra
Ri
ra
Ri
Q
dQ
V
bdr==
∫∫


i
ra
Ri
ra
Ri
tt
i
Q

K
r
bdr K
b
r
dr
Q
=
∫
=
∫
=
360
ϕ
( 2-1 )


Hình 2.8. Sơ đồ lập công thức tính toán buồng xoắn.

Sau đây ta áp dụng những công thức trên để tính toán cụ thể cho hai loại buồng xoắn:
ặt cắt tròn ( hoặc ellipsse) và buồng xoắn mặt cắt đa giác.
ròn (hoặc ellipsse):

h 2-9,b), nghĩa là phải xác định ra đượ
c quan hệ
m
a. Tính toán buồng xoắn mặt cắt t
Nội dung của việc tính toán buồng xoắn là vẽ ra được đường bao xoắn và xác
định mặt cắt ngang của buồng xoắn (hìn
giữa góc

i
ϕ
, bán kính Ri và diện tích mặt cắt ngang tương ứng Fi.
Từ (2-1) đặt
i
ra
S
r
dr=
∫
, vậy Qi = K.Si và K = Qi/Si, vì K = hằng ố nên K =
Ri
b
s
max
ma
x
Q
S

tt
Gọi bán kính măt cắt cửa vào (ứng với
ϕ
max
) là ρ
max
=
u
V

π
Q
.
max
ϕ
360
,
y
Coi là tiết diện tròn nên ρ
i
2
= ( b
i
/2 )
2
+ ( r
i
- a)
2
, rút ra b
i
và thay vào S
i
ta có S
i
và tha
vào (3-1) ta có góc :

i
tt

Q
K
ϕ
π
=
720
(
)
[]
(
)
[

]
Trong
aaa aaa
÷− ÷ = ÷− ÷ρρρ ρ2

rrr
c
rrr
2
công thức c = ( 720.K.π) / Q
tt
= hằng số. Giải phương trình
i
ϕ
ta có được :

i

i
r
ϕ
=÷
2
a
i
c c
ρ
ϕ
(2-2)
Từ (2-2) nế định ra ta sẽ tìm ra u biết c mà
i
ϕ
i
ρ
. Dựa vào điều kiện biên cửa vào, có: ở
c =
()
max
max max
ρρ
aaa
rrr
÷− ÷2
= hằng số (2-3)
ϕ

Đã có hằng số c ta ịnh ra các góc
i

ϕ
đ
và lập bảng tính ( bảng 2-2 ) sau:
Bảng 2-2. Bảng tính toán xác định kích thước buồng xoắn tròn ( hoặc ellipsse)
i
ρ

2
26
i
ϕ

i
c

ϕ
2
a
i
r
c

ϕ
2
a
i
r
c
ϕ

i
ρ

i
i
a
R
r
=
÷
2
ρ




Các bước tính toán lập bảng 2-2 như sau:
- Chọn góc bao
ma
x
ϕ

như đã trình bày trên;
- Từ bảng 3 tra ra kích thước đường kính trong và ngoài của vòng bệ CCHD;
- Xác định mặt cắt buồng xoắn cửa vào F
max
định ra ρ
max
tính ra hằng số c theo (2-3)
- Định ra các góc ϕ

i
từ 0 đến ϕ
max
và tương ứng tính ra ρ
i
theo (2-2) và xác định Ri.
ừ quan hệ ϕ
i
~ Ri vẽ ra đường xoắn và từ quan hệ ρ
i
~ Ri vẽ mặt cắt ngang tương ứng
em (hình 2-9,b).



T
x





Hình 2-9. Tính toán buồng xoắn mặt cắt tròn hoặc ellipse.

b. Tính toán buồng xoắn mặt cắt đa giác
Từ lưu lượng lớn nhất ở cửa vào buồng xoắn Q
max
và kinh nghiệm chọn được
chi tiết kích thước ( m, n, b
o

, tỷ số b/a, các góc δ ,γ ) tính ra diện tích mặt cắt cửa vào
F
max
và dựa vào tốc độ trung bình V
u
định ra mặt cắt lớn nhất. Các mặt cắt khác coi như
xếp chồng tỳ lên từ R
max
đến r
a

trên các đường AC và EH ứng với các Ri khác nhau
(hình 2-10). AC và EH có thể quan niệm theo đường thẳng hoặc đường cong bậc hai
hoặc ba.Thực tế quan niệm đường cong hợp lý hơn. Sau đây là cách tiến hành tính toán:

Hình 2-10. Sơ đồ tính buồng xoắn đa giác.

Từ Qi = K.Si ta cần tìm
i
ra
Ri
S
b
r
dr=
∫
. Ta có thể dùng phương pháp đồ giải để
xác định Si là diện tích của b/r và r. Do vậy trước tiên ta cần phải vẽ các đường quan hệ
r ~ b/r ( là các đường mnab của mặt c cửa vào, đường m
i

n
i
ab của mặt cắt thứ i, v.v )
dựa theo tính toán ở bảng tính 2-3. Cách tính toán như sau:
- Ứng với mặt cắt cửa vào ABCHDE ta định các r
i
( từ R
v
đến r
b
) và tương ứng đo
được b
i
rồi tính ra b
i
/r
i
, dùng cột r ~ b/r vẽ ra các đường mnab (hình 2-10);
Hình 2
-
9a
27
28
- Ứng với mặt cắt khác ta cũng làm tương tự và dùng cột r ~ b/r vẽ các đường khác.
Đo diện tích giới hạn giữa các đường vừa vẽ và trục r ta sẽ có được Si tương ứng. Với
S
max
ta tính ra được hằng số K = Q
max
/S

max
và tính ra ϕi theo công thức:

i
i
S
S
ϕϕ
=
max
ma
x
.
(2-4)
Bảng 2-3. Bảng tính toán buồng xoắn đa giác
r R
v
R
4
r
a
r
b

Mặt cắt ABCHDE b b
v
b
0
b
0

b/r
r R
4
R
3
r
a
r
b

M. cắt A'B'CHD'E' b b
i
b
0
b
0
b/r b
i
/r
i

r
Mặt cắt b
b/r

ẽ được quan hệ r ~ Q.
ra được V = Q/F và vẽ được r ~ V.
ập bảng tính các quan hệ
ϕ ~ ~ R ( bảng 2-4 ):

Để tiện tính toán xác định các mặt cắt bất kỳ nào đó ta tiến hành vẽ đồ thị quan
hệ
ϕ ~ r, Q ~ r và V ~ r . Cách vẽ các đường này như sau:
- Với mỗi r ta có S và dựa vào (3-4) ta tính được
ϕ và vẽ được quan hệ ϕ ~ r.
- Với mỗi
ϕ có r và tính ra Q = Qtt.ϕ / 360 và v
- Với từng r có Q và đo được diện tích F, tính
Từ các đường này ta dễ dàng tra và vẽ đường xoắn và mặt cắt buồng xoắn.
2. Tính toán buồng xoắn theo phương pháp V
tb
= K
Trong tính toán buồng xoắn theo quy luật V
u
.r = K cho ta vận tốc trung bình tại
các tiết diện sẽ khác nhau, điều này dẫn đến tổn thất thuỷ lực dọc chiều dài buồng xoắn
khác nhau như vậy trị số cột nước khác nhau, gây nên tải trọng lên BXCT không đều
làm mòn ổ trục và gây rung động máy. Cột nước càng thấp thì càng ảnh hưởng xấu này
càng lớn, do vậy A.A Berêrơnôi đưa ra phương pháp tính này. Phương pháp sử dụng
được áp dụng với H < 40 m. Phương pháp V
tb
= K coi tốc độ dòng nước qua các mặt cắt
buồng xoắn không đổi và bằng V
tb
có thể lấy theo biểu đồ (hình 2-9,a).
a. Tính toán với buồng xoắn mặt cắt tròn ( hoặc ellipsse)
Nội dung và các bước tính toán:
- Chọn góc bao của buồng xoắn, thường với mặt cắt tròn và ellipsse lấy lớn;
- Sơ bộ xác định các kích thước vòng bệ và CCHD, có thể lấy theo các bảng 2-1 và

các bảng 6-5, 6-6 ở chương VI.
- L
ρ
29
Bảng 2-4. Bảng tính toán buồng xoắn mặt cắt tròn theo V = hằng số
Mặt cắt
ϕ
ρ
a = r
a
+ ρ R = 2ρ + r
a

1 2 3 4 5
Cửa ra 0 0 r
a
r
a

.
.
Cửa vào
ϕ
max
ρ
max
r
a
+ ρ
max

R = 2ρ
max
+ r
a


Nội dung và các bước tính toán:
Cột 1: ghi tên mặt cắt tương ứng với góc
ϕ , từ mặt cắt cửa ra đến mặt cắt cửa vào;
Cột ϕ ϕ2: định góc , lấy từ mặt cắt cửa ra = 0 đến mặt cắt cửa vào ϕ
max
, lấy cách
nhau giưã các mặt cắt chừng 45
0
;
Cột 3: Bán kính mặt cắt tròn ( hoặc bán kính nhỏ của ellipsse ) tính theo công thức:

max
max
ρ
ϕ
π
=
tt
u
Q
V
360
(2-5)

i
tt
i
u
i
Q
V
ρ
ϕϕ
π
ϕ
ρ
ϕ
ϕ
==
.
.
.
max
max
max
max
360
(2-6)



Hình 2-11. Tính toán buồng xoắn mắt cắt tròn (ellipsse) và đa giác.

Cột 4: Tính
i
i
a
ar
=÷
ρ

Cột 5: Tính ra bán kính
i
i
a
Rr
=
÷
2
ρ

Từ số liệu hai cột 2 và 5 vẽ được đường xoắn. Từ số liẹu cột 4 và 5 vẽ được kích thước
các mặt cắt ngang của từng tiết diện (hình 2-11,a).


30
b. Tính toán buồng xoắn đa giác
Việc tính toán buồng xoắn mặt cắt đa giác theo phương pháp V
tb
= K tiến hành
các bước (xem hình 2-11,b) dưới đây:
- Chọn góc bao
ϕ

max
và hình thức mặt cắt như đã trình bày ở các phần trước;
- Tra các bảng 2-1, 6-5 và 6-6 để xác định các kích thước b
0
, D
a
, D ;
- Dựa vào Q
tt
và Vtb tra ra tiết diện mặt cắt cửa vào buồng TB:
b
max
max
.
.
F
Q
V
tt
t
b
=
ϕ
360
,
có F
max
dựa kính nghiệm chọn các kích thước: b/a, γ, δ sao cho diện tích mặt cắt cửa vào
đúng bằng diện tích F
max

;
- Lập bảng tính toán (bảng 2-5) xác định quan hệ R ~ F ~
ϕ:
Cột 1: Đặt tên cho các mặt cắt buồng xoắn: từ mặt cắt cửa vào đến mặt cắt cửa ra;
Cột 2: Chọn quy luật thay đổi đường tỳ của các mặt cắt là đường thẳng hoặc parboll,
Định các bán kính R từ bán kính cửa vào R
max
đến bán kính cửa ra r
b
;
Cột 3: Đo diện tích mặt cắt Fi tương ứng với Ri ( phần gạch chéo ) và ghi vào cột 3;
Bảng 2-5. B = hằng số ảng tính buồng xoắn đa giác theo V
Tên mặt cắt Ri Fi
i
ϕ

1 2 3 4
Cửa vào
max
R

max
F

ma
x
ϕ

. . . .
. . . .

Cửa ra
b
r

0 0
Cột 4: Từ công thức tính diện tích mặt cắt cưả vào và mặt cắt thứ i Fi :
max
F
max
max
.
.
V
tb
Q
tt
=
ϕ
F

360
i
tt
i
t
b
lập tỷ lệ Fi/Fmax ta có
F
V
=

.360
Q
.
ϕ
()
i
i
F
F
i
f
R
ϕ
ϕ
==
ma
max
x
(2-7),
là quan hệ đường thẳng, do vậy có Fi tính ra tương ứng
i
ϕ
, ghi vào cột 4.
Đ n s a v ng ra ờng quan h ϕ
) và vào h
R đ o b ự F ~
mặ nga a xo

ể tiệ ử ng
quan
dụ ta
ệ
ϕ ~
dự à
để vẽ
o bả 7
ường x
vẽ cá
ắn của
c đư ệ F ~
a vào q
~ R (hình 2-
uan hệ
11,b dựa
uồng, d ϕ ~
R vẽ t cắt ng củ buồng ắn.









31

II. 3. T

Thiế út) là bộ phận không thể thiếu ở
turbine với tổn thất năng
lượng n
- Sử dụng òng chả
y sau khi ra khỏi BXCT;
ước tĩnh Hs (gọi là độ chân không tĩnh) tính từ mặt cắt cửa ra
BXCT
HIẾT BỊ THÁO NƯỚC CỦA TURBINE THUỶ LỰC
t bị tháo nươc (ống xả hay còn gọi là ống h
phản kích. Nó có nhiệm vụ tháo nước từ BXCT xuống hạ lưu
hỏ nhất. Ngoài ra ống xả trong turbine phản kích có những tác dụng sau đây:
thêm phần lớn động năng còn lại của d
- Tận dụng thêm cột n
đến mực nước hạ lưu ở hầm xả nước.
Để xác định giá trị và ý nghĩa của ống xả ta viết phương trình năng lượng cho 3 trường
hợp: không có ống xả, ống xả trụ tròn và ống xả hình nón cụt (hình 2-12) rồi so sánh .

Hình 2-12. Các sơ đồ tính toán so sánh vai trò ống xả.
Viết phương trình Becnuly cho trườ hợp a) không có ống xả cho hai mặt cắt
ở mặt thoáng 1-1 và mặt cắt cửa ra BXCT 3-3, lấy mực nước ở kênh tháo 0-0 làm chuẩn
nếu bỏ qua tôn thất cột nước trong buồng h và vì áp lực ở mặt thoáng 1-1 và 3-3 đều
bằng áp suất khí trời p
1
= p
3
= p
at
, vận tốc c chảy trên mặt thoáng 1-1 coi như bằng
không V
1

= 0, vậy cột nước có thể sử dụng được là H
a
:
ng
ở
nướ
ao o
HEE
p
Z
p
V
g
ZZZ
V
g
=−=÷− ÷ ÷ =−−
13
13
3
3
2
33
3
3
2
22γγ
αα
()

Viết phương trình Becnuli cho trường hợp c) có ống hút cho hai mặt cắt 1-1 và
mặt cắt cửa ra ống xả 5-5, có tính đến tổn thất cột nước h
3-5
của ống xả, ta có cột nước
mà turbine có thể sử dụng được là H
c
:
co
at
o
HEE
p
ZZ
p
Z
V
hZ
V
g
h
=−=÷− ÷
÷
−÷
⎛
⎝
⎜
⎜
⎞
⎠
⎟

⎟
=− −
−−15
1
5
5
5
5
2
35
5
5
2
35
2γ
γ
α
α
α
Lấy H
c
trừ cho H
a
ta có được cột nước t ng thêm ∆H do có lắp thêm ống xả so với
trường hợp không lắp ống xả:

γ
ă
∆H
HHZ

VV
g
h
ca
=−=÷
−
−
−3
3
3
2
5
5
2
35
2
αα
(2-8)
Trong đó chỉ số 3 tương ứng với c ống xả (hay lấy gần đúng là cửa ra
BXC thu
ồi do
3
độ
ại, gọi là “độ chân không
ửa vào
T), chỉ số 5 tương ứng cửa ra của ống xả. Từ công thức ∆H ta thấy: năng lượng
ống xả gồm: thành thứ nhất là thêm cột nước tĩnh Z
ký hiệu là Hs gọi là ”
h
chân không tĩnh ”, thành phần thứ hai bao gồm hai phần còn l

32
động”. Thành phần thứ nhất có liên quan đến thiết kế công trình, cụ thể là việc chọn cao
trình đặt turbine, thành phần thứ hai gắn liền với cấu tạo của ống xả. Hiệu suất ống xả
được biểu thị qua hiệu quả thu hồi động năng ở cửa ra BXCT sau:

η
αα
α
ox
VV
g
h
V
g
=
−
−
<
−
3
3
5
5
35
3
3
2
2
2
1

Từ công thức trên ta thấy khi động năng ở cửa ra BXCT là đã biết , muốn hiệu
suất ống xả tăng thì phải tìm cách tăng “độ chân không động” bằng những khả năng :
- Giảm vận tốc ở cửa ra ống xả V
2
2
5
nghĩa là tiết diện cửa ra D
5
phải lớn hơn tiết diện ở
cửa vào D
3
. Nếu tiết diện cửa vào bằng hoặc lớn cửa ra thì dẫn tới hiệu suất âm.
- Giảm tổn thất thủy lực h
3-5
trong ống xả.
Hai khả năng trên có liên quan trực tiếp lẫn nhau, mở rộng tiết diện cửa ra càng
lớn với mong muốn thu hồi động năng càng nhiều thì lại làm tăng tổn thất thủy lực
trong ống xả và ngược lại. Do vậy cần lựa chọn hợp lý về tiết diện và chiều dài, góc côn
của ống xả, đồng thời xét đến điều kiện kết c
ấu, khối lượng phần dưới nước v v.
Trong thực tế phát sinh những loại ống xả khác nhau (hình 2-13) :


Hình 2-13. Các loại ống xả
- Ống xả trục thẳng: ống xả hình nón cụt (hình 1 trong hình 2-13) và ống xả trục
thẳng có tiết diện thay đổi ( hình 12 va13 trong hình 2-13);
- Ống xả loe: ống xả loe thẳng ( hình 2 ), ống xả loe kín ( hình 3 trong hình 2-13);
- Ống xả loe lỏi giữa ( hình 4 trong hình 2-13);
- Ống xả cong ( hình 5,6,7 trong hình 2-13);

- Ống xả khuỷu dùng cho turbine nhỏ trục ngang (hình 8,9,10,11 trong hình 2-13).
Sau đây chúng ta xem xét một số loại ống xả thường gặp hơn cả trong thực tế.
II. 3. 1. Ống xả hình nón cụt
33
loe
θ
và tỷ s
xả đạt từ
giảm V
5
sẽ tăng
c ống xả cần phải
xem xé
h = yD
5
; b = xD
5
; c = 0,85b
Để tránh không khí chui vào ống làm mất tác dụng hút của ống xả, cần bảo đảm
mép dưới ống hút ngập sâu cách m
ể
giảm chiều sâu đào phần dưới nước, người ta cải tiến ống xả nón cụt bằng việc tạo phần
Xét về mặt thủy lực ống xả hình nón cụt là loại ống xả tốt hơn cả so với các loại
ống xả kể trên và nó cũng là loại có cấu tạo đơn giản. Tuy nhiên nó chỉ được dùng trong
turbine phản kích trục đứng cở nhỏ và trung bình và turbine dòng. Nó thuộc loại ố
ng mở
rộng dạng chóp cụt với góc loe
θ (hình 2-14,a). Loại ống này có tổn thất thủy lực nhỏ
nhất nên hiệu suất cao, có thể đạt tới 85%. Tổn thất thủy lực tùy thuộc vào góc
ố giữa chiều dài L và đường kính cửa vào D

3
của ống xả. Thí nghiệm mô hình
cho kế quả rằng góc loe
θ = (10÷14)
0
và L/D
3
= (3÷4) thì hiệu suất ống
t
60
÷85%. Việc giữ góc loe trong phạm vi có lợi nhưng lại kéo dài L để
hối xây lắp phần dưới nước của nhà máy. Do vậy việc chọn kích thướk
t cả về mặt hiệu suất lẫn khối lượng đào và xây lắp phần dưới nước của nhà máy.
Việc quyết định kích thước kênh xả hạ lưu còn cần phải đảm bảo đủ kích thước để dễ
thoát nước từ ống x
ả về hạ lưu. Các kích thước sau đây (hình 2-14,c) tối thiểu phải
bằng:
ặt nước hạ lưu trong hầm xả ít nhất từ 0,3
÷0,5 m. Đ


Ống xả hình nón cụt.
o do mở rộng cửa ra đột
ệu suất th ng.
Ống xả hình cong:
r
ốc lớn. Cũng
Hình 2-14.
loa kèn đ ạn dưới của ống xả (hình 2-14,b). Tuy nhiên loại này
ngột nên hi ấp hơn và phức tạp hơn nên ít sử dụ

II. 3. 2.
Ống xả hình cong (hình 2-15) gồm ba đoạn: đoạn nón cụt A đứng, đoạn khuỷu
cong phức tạp B và đoạn mở ộng nằm ngang C.
Đo
ạn nón cụt : quá trình biến đổi động năng dòng nước thành áp năng chủ yếu
xảy ra ở đoạn này của ống xả. Đo đó việc chọn chính xác kích thước đoạn nón này có ý
nghĩa rất lớn đối với đặc tính năng lượng của TB nhất là đối với TB có tỷ t
34
nh
ạn n o n nón cụt và ạn m m ngang có
cấu tạo và kích thước biến đổi phức tạp: tiết diện vào của đoạn khuỷu có dạng hình tròn,
i nh chữ n t tại c a ra c
0
.
nón
ảy ở tiết
diện vào của khuỷu và hình dạng của nó. Lực li tâm sinh ra khi dòng nước chảy vòng
trong đoạn khuỷu sẽ gây nên sự tách dòng và tăng thêm tổn thất. Bán kính chuyển động
xoay của dòng nước càng lớ
n thì lực li tâm và građiên áp lực trong dòng chảy càng nhỏ.
Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến tổn ăng lượng trong đoạn khuỷu là tỷ số giữa diện
này và sự thay đổi diện tích tiết diện men theo
hiều dài của nó. Ở Liên xô cũ người ta đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm với 3
iết diện ngang tăng dần; khuỷu có
iện tích tiết diện không đổi và khuỷu có diện tích tiết diện tăng dần rồi đến đoạn nằm
ư ống xả nón cụt, tổn thất năng lượng trong đoạn ống này phụ thuộc vào góc loe và
độ cao tương đối h / D
3
và độ mở rộng của đoạn ống này.
Đoạn cong: là đo ối tiếp giữa đ ạ đo ở rộng nằ

sau đó biến đổi dần sang t ết diện hì hậ ử ủa nó vớ
i góc quay 90
Trị số tổn thất năng lượng trong khuỷu không lớn hơn so với tổn thất t
cụt và trong đoạn nằm ngang. Tổn thất ở đây phụ thuộc vào sự phân bố dòng ch
rong
thất n
a đoạntích cửa ra và diện tích cửa vào củ
c
dạng khuỷu khác nhau sau đây: khuỷu có di
ện tích t
d
ngang gần tiếp giáp với đoạn mở rộng nằm ngang thì giảm dần. Kết quả cho thấy loại
khuỷu sau cùng tốt hơn hai loại trên.

Hình 2-15. Ống xả hình cong.
Đoạn mở rộng nằm ngang: Ở đoạn này, ống xả vẫn còn tiếp tục biến đổi động
năng thành áp năng, nhưng tác dụng phục hồi năng lượng ở đây nh
chữ nhật. Sự m
ỏ hơn ở đoạn nón
ở rộng dòng chả
y ở
ần của nó theo góc nghiêng
α từ
0
÷13
0
còn chiều rộng B
5
không thay đổi.
ộ dựa vào hệ số tỷ tốc và kiểu

cụt. Tiết diện ngang của đoạn mở rộng có dạng hình
đoạn này được thực hiện nhờ biện pháp nâng cao dần tr
1
Đối với ống hút dạng cong, trong thiết kế sơ b
turbine ta có thể tra ra loại ống xả (bảng 2-6, hình 2-15)


35
ảng 2-6. Kích thước chính của ống xả cong ( đơn v
Kiểu
B ị ghi: m )

Kích thước tính với đường kính BXCT D
1
= 1m Sử
dụng
D
1
h L B
5
D
4
h
4
h
0
L
1

h
5

4A 1,0 1,915 3,50 2,20 1,10 1,10 0,55 1,417 1,00 (a)
4C 1,0 2,30 4,50 2,38 1,17 1,17 0,584 1,50 1,20 (b)
4E 1,0 2,50 4,50 2,50 1,23 1,23 0,617 1,59 1,20 (c)
4H 1,0 2,50 4,50 2,74 1,352 1,352 0,67 1,75 1,31 (d)
4H1 1,0 2,7 4,50 2,74 1,352 1,352 0,67 1,75 1,31 (e)
20 1,0 2,3 3,50 2,17 1,04 1,04 0,51 1,41 0,937 (g)
Ghi chú:
- Bảng 2-6 ghi kích thước của ống xả có ường kính BXCT D
1
= 1m, kích thước ống
xả của turbine có đường kính D1 ≠ 1m sẽ bằ g kích thước trong bảng nhân với D
1
;
- Phạm vi sử dụng ứng với kí hiệu trong ng 2-6:
(a): cho các kiểu turbine: CQ30, CQ40, (CQ577, CQ587 hệ cũ có tỷ tốc thấp);
(b): cho các kiểu turbine: CQ20, CQ30, (CQ577, CQ510 hệ cũ có tỷ tốc trung
bình);
(c): cho các kiểu turbine: CQ10, CQ15, (TT82, TT638 hệ cũ nếu h = 2,3D
1
và
CQ510, CQ592 hệ cũ có tỷ tốc trung bình và cao);
(d) TT211,
TT123 hệ cũ có
(e): cho các kiểu turbine: CQ10, (CQ510 hệ cũ có tỷ tốc cao);
230, TT300, TT400, TT500,
u
ả khu điệ

đ
n
bả
: cho các kiểu turbine: TT15, TT75, TT115, TT170, (TT638, TT82,
tỷ tốc trung bình và cao);
(g): cho các kiểu turbine: cho các kiểu turbine: TT
(TT533, TT246 hệ cũ có tỷ tốc thấp).
II. 4. 3. Ống xả khuỷu
Turbine nhỏ trục ngang thường dùng ống xả khuỷu cong. Dòng nước sau khi ra
khỏi BXCT có phương song song với trục TB và đi vào phần trên của khuỷu. Sau đó
dòng nước lại đi vào phần dướ
i của khuỷu cong 1 và bị đổi hướng từ ngang sang đoạn
côn thẳng đứng 2 hoặc xiên góc với phương thẳng đứng ( hình 2-13
9,11
và 2-16):
Ống xả khuỷu cong (hình 2-17) gồm đoạn khuỷu cong 2 nối với buồng hình ống
1 và đoạn hình nón cụt thẳng đứng 5. Do đổi hướng dòng chảy gần 90 độ khi qua nó, và
trường hợp nếu có trục xuyên qua khuỷu thì dòng chảy còn bị khuấy do vậy loại này
tổn thất thuỷ lực lớn dẫn đến hiệ suất ống xả giảm thấp xuống còn 40 - 45%.Vì vậy
loại ống x
ỷu dùng cho tổ máy trục ngang thuỷ n nhỏ.
Đối với turbine nhỏ nón cut trục đứng và ống hút trục ngang dựa vào tài liệu chế
tạo cho sẵn trong khối turbine, do vậy có thể tra theo turbine cụ thể.

Hình 2-16. Ống xả khuỷu.

36