Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống điều tốc điện thủy lực cho turbine francis

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Vũ Minh

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC
ĐIỆN - THUỶ LỰC CHO TURBINE FRANCIS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
MÁY VÀ TỰ ĐỘNG THUỶ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. NGÔ SỸ LỘC

Hà Nội – 2010


MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ TURBINE VÀ ĐIỀU TỐC TURBINE

Trang
1
2
3
4
5

6
8

1.1 Phân loại turbine
1.2 Phân loại và giới thiệu các loại điều tốc
Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

8
17
21

2.1 Cơ sở lý thuyết
2.2 Đặc tính của hệ thống điều chỉnh turbine
2.2 Sơ đồ và nguyên lý hệ thống điều tốc
2.2.1 Sơ đồ kết cấu cơ khí
2.2.2 Sơ đồ khối hệ điều khiển
2.2.3 Sơ đồ hệ thống thuỷ lực
Chương 3 – TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

22
25
29
29
30
32
35

3.1 Thông số cơ bản của tuabin
3.2 Tính lực đóng mở cánh hướng
3.3 Tính toán hệ thống thuỷ lực

3.3.1 Tính toán xylanh và đường kính xylanh
3.3.2 Tính áp suất và lưu lượng lớn nhất trong hệ thống
3.3.3 Tính toán lưu lượng của hệ thống
3.3.4 Tính lưu lượng bơm cần thiết cung cấp cho hệ thống
3.3.5 Tính chọn đường ống cho hệ thống
3.3.6 Tính toán tổn thất áp suất trong hệ thống
3.3.7 Tính thể tích bình tích năng
3.3.8 Tính toán công suất cần thiết cung cấp cho bơm
3.4 Tính toán thùng dầu
3.5 Thiết kế bình tích năng
3.6 Kiểm tra bền bệ xylanh
3.7 Kiểm tra bền chốt xylanh
3.8 Chọn các phần tử thuỷ lực

35
35
40
41
42
42
42
43
43
45
47
47
52
54
56
57

3.8.1 Chọn bơm nguồn
3.8.2 Chọn động cơ điện
3.8.3 Chọn van tỷ lệ
3.8.4 Chọn Van điện từ 4/2
3.8.5 Chọn Van điện từ 2/2
3.8.6 Chọn lọc hồi
3.8.7 Chọn tiết lưu
3.8.8 Chọn bơm tay
3.8.9 Chọn xylanh thuỷ lực
3.8.10 Chọn van 1 chiều
3.8.11 Chọn thước đo dầu
3.8.12 Chọn nắp đổ dầu
3.8.13 Chọn hút ẩm
3.9 Kiểm tra ổn định xylanh
3.10 Thiết kế manifold
Chương 4 - KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG

57
58
59
60
61
62
63
64
64
65
65

67
67
68
70
72

4.1 Sơ đồ hàm truyền hệ thống
4.1.1 Khâu Tuabin - máy phát
4.1.2 Khâu Khuyếch đại
4.1.3 Khâu đo vị trí
4.1.4 Khâu đo tốc độ
4.2 Xây dựng mạch vòng điều khiển
4.2.1 Mạch vòng điều khiển dịch chuyển xylanh
4.2.2 Mạch vòng điều chỉnh tần số
4.3 Mô phỏng điều chỉnh turbine
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
PHỤ LỤC
TÀI LIỆU THAM KHẢO

72
72
74
74
75
75
75
77
79
82
84

95

CÁC BẢN VẼ CHẾ TẠO


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi.
Các số liệu trích dẫn đều có cơ sở nguồn gốc rõ ràng. Kết quả nghiên cứu chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào.

Học viên

Vũ Minh


QUY ĐỊNH VỀ HÌNH THỨC LUẬN VĂN THẠC SĨ
LUẬN VĂN ĐƯỢC TRÌNH BÀY THEO THỨ TỰ SAU:
1. Trang bìa luận văn: Mẫu kèm theo
2. Mục lục của luận văn: Ghi chi tiết từng chương mục và số trang của chương mục đó.
3. Nôi dung luận văn: Trình bày rõ các vấn đề theo trình tự:
3.1. Phần mở đầu
- Lý do chọn đề tài
- Lịch sử nghiên cứu
- Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
- Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
- Phương pháp nghiên cứu.
Nội dung:
- Chương 1
- Chương 2

- Chương 3
Kết luận:
- Những kết luận mới
- Đóng góp mới và kiến nghị của tác giả về sử dụng kết quả nghiên cứu của
luận văn.
3.4 Danh mục các tài liệu tham khảo (có hướng dẫn riêng kèm theo)
- Các phụ lục (nếu có) để làm sáng tỏ nội dung của luận văn.
4. Phải trình bày mạch lạc, rõ ràng, sạch sẽ, theo đúng yêu cầu của các công trình đưa in,
kể cả tài liệu minh hoạ. Các bảng biểu, đồ thị, hình vẽ … nếu trình bày theo chiều
ngang của khổ giấy thì cần được đóng ngay đầu bảng biểu… vào gáy của quyển luận
văn. Các công thức, ký hiệu … nếu phải viết thêm bằng tay thì cần viết bằng mực
đen, rõ ràng, sạch sẽ.
5. Luận văn được in trên một mặt giấy trắng khổ A4 (210 x 297mm), dày không quá 100
trang, không kể hình vẽ, bảng biểu, đồ thị và danh mục tài liệu tham khảo. Đối với
các luận văn về khoa học xã hội khối lượng có thể nhiều hơn 20% đến 30%.
6. Luận văn sử dụng chữ VnTime (Roman) hoặc Times New Roman cỡ 13 Hệ soạn thảo
Winword hoặc tương đương; mật độ chữ bình thường, không được nén hoặc kéo dãn
khoảng cách giữa các chữ; dãn dòng đặt ở chế độ 1,5 lines; lề trên 3,5cm; lề dưới
3,0cm; lề trái 3,5cm, lề phải 2 cm. Số trang được đánh ở giữa, phía dưới trang giấy.
7. Luận văn đóng bìa cứng, khổ 210 x 297 mm, ngoài bìa có mạ chữ vàng.
8. Tuyệt đối không được tẩy, xoá, sửa chữa trong luận văn.

HƯỚNG DẪN XẾP TÀI LIỆU THAM KHẢO


1. Tài liệu tham khảo xếp theo thứ tự ABC họ tên tác giả luận án theo thông lệ của từng
nước:
- Tác giả là người nước ngoài: xếp thứ tự ABC theo họ.
- Tác giả là người Việt Nam: xếp thứ tự ABC theo tên nhưng vẫn giữ nguyên thứ
tự thông thường của tên người Việt Nam, không đảo tên lên trước họ.

- Tài liệu không có tên tác giả thì xếp theo thứ tự ABC từ đầu của tên cơ quan ban
hành báo cáo hay ấn phẩm, ví dụ: Tổng cục Thống kê xếp vào vần T, Bộ Giáo
dục và Đào tạo xếp vào vần B, v.v….
2. Tài liệu tham khảo là sách, luận án, báo cáo phải ghi đầy đủ các thông tin sau:
•
Tên các tác giả hoặc cơ quan ban hành (không có dấu ngăn cách)
•
(năm xuất bản), (đặt trong ngoặc đơn, dấu phẩy sau ngoặc đơn)
•
tên sách, luận án hoặc báo cáo, (in nghiên, dấu phẩy cuối tên)
nhà xuất bản, (dấu phẩy cuối tên nhà xuất bản)
•
•
nơi xuất bản, (dấu chấm kết thúc tài liệu tham khảo).
(xem ví dụ trang sau tài liệu số 2, 3 ,4, 23, 30, 31, 32, 33.
Tài liệu tham khảo là bài báo trong tạp chí, bài trong một cuốn sách… ghi đầy đủ
các thông tin sau:
•
tên các tác giả (không có dấu ngăn cách)
•
(năm công bố), (đặt trong ngoặc đơn, dấu phẩy sau ngoặc đơn)
•
“tên bài báo”, (đặt trong ngoặc kép, không in nghiên, dấu phẩy cuối tên)
•
tên tạp chí hoặc tên sách, (in nghiên, dấu phẩy cuối tên)
•
tập (không có dấu ngăn cách)
•
(sổ), (đặt trong ngoặc đơn, dấu phẩy sau ngoặc đơn)
•

các số trang, (gạch ngang giữa hai chữ số, dấu chấm kết thúc)
(xem ví dụ trang sau tài liệu số 1, 28, 29).
Cần chú ý những chi tiết về trình bày nêu trên. Nếu tài liệu dài hơn một dòng thì
nên trình bày sau cho từ dòng thứ hai lùi vào so với dòng thứ nhất 1 cm để phần tài liệu
tham khảo được rõ ràng và dễ theo dõi.
Dưới đây là ví dụ về cách trình bày trang tài liệu tham khảo:
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Anderson, J.E. (1985), The Relative Inefficiency of Quota, The Cheese Case,
American Economic Review, 75(1), pp. 178-90.
2. Borkakati R.P., Virmani S.S. (1997), Genetics of thermosensitive genic male sterility
in Rice, Euphytica 88, pp. 1-7.
3. Boulding, K.E. (1955), Economics Analysis, Hamish Hamilton, London.
4.

(1), tr. 10-16.

…………………………….
28. Institute of Economics (1988), Analysis of Expenditure Pattern of Urban Households
in Vietnam, Department of Economics, Economic Research Report, Hanoi.
QUY ĐỊNH VỀ HÌNH THỨC TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ


TÓM TẮT LUẬN VĂN ĐƯỢC TRÌNH BÀY THEO THỨ TỰ SAU:
1. Tóm tắt luận văn được trình bày 2trang, cỡ chữ VnTime (Roman) hoặc Times New
Roman cỡ 13 Hệ soạn thảo Winword hoặc tương đương; mật độ chữ bình thường,
không được nén hoặc kéo dãn khoảng cách giữa các chữ; dãn dòng đặt ở chế độ 1,5
lines; lề trên 3 cm; lề dưới 3,0cm; lề trái 3, cm, lề phải 2 cm. Số trang được đánh ở
giữa, phía dưới trang giấy.
2. Tóm tắt luận văn phải phản ánh trung thực kết cấu, bố cục và nội dung luận án, phải
ghi đầy đủ toàn văn kết luận của luận văn.

3. Tuyệt đối không được tẩy, xoá, sửa chữa trong tóm tắt luận văn.
4. Nôi dung tóm tắt luận văn trình bày ngắn gọn các vấn đề theo trình tự và mẫu
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài:…………………………………………………………………………………
Tác giả luận văn:.………………………………………………Khóa:..……………..
Người hướng dẫn:..……………………………………………………………………
Nội dung tóm tắt:
a) Lý do chọn đề tài
b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
d) Phương pháp nghiên cứu.
e) Kết luận


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
f

Tần số dòng điện

H’

P

Số đôi cặp cực của máy phát

n

Sô vòng quay máy phát

Pxl

Lực tác xylanh

Mt

Mômen do turbine sinh ra

Dxl

Đường kính xylanh

Mc

Mômen cản do tải

pxl

Áp suất tác dụng lên xylanh

J

Mômen quán tính của tổ máy

Qd

Lưu lượng dầu

ω

Vận tốc góc máy phát

Qb

Lưu lượng bơm

Ntb

Công suất turbine

do

Đường kính ống

γ

Trọng lượng riêng của nước

∆p

Áp suất tổn thất

Q

Lưu lượng của turbine

∆p d

Tổn thất dọc đường

H

Chiều cao cột nước

∆p c

Tổn thất cục bộ

η tl

Hiệu suất thuỷ lực

vcl

Vận tốc dầu

b0

Chiều cao cánh hướng

Vb

Dung tích bình tích

α0

Góc quay cánh hướng

VH

Dung tích không khí

β0

Góc đặt cánh

∆V

Thể tích dầu sử dụng khi làm việc

β2

Góc ra đặt cánh

V3

Độ no dầu thuỷ lực

Z0

Số cánh hướng

Ndc

Công suất động cơ

td

Thời gian đóng cánh hướng

t0mt

Nhiệt độ môi trường

P

Áp lực nước

tmax

Nhiệt độ lớn nhất

P1

Lực tác dụng từ phía các thanh truyền

Qt

Nhiệt lượng toả ra

L

Chu vi của Profil cánh

δ t`

chiều dày bình

R

Bán kính điểm đặt lực so với trục cánh

Jxl

Mômen quán tính xylanh

Mvanh Mômen trên vành

hướng
V

Cột áp khi đóng cánh hướng

Vận tốc dòng chảy bao cánh

Cp0, CM0 Hệ số lực và mômen

3


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 Tra hệ số C
Bảng 2 Tra hệ số λ

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1

Turbine hướng trục trục đứng

Hình 3.9

Phân bố biến dạng

Hình 1.2

Turbine Kaplan

Hình 3.10 Sơ đồ tính toán

Hình 1.3

Turbine tâm trục (Trục ngang)

Hình 3.11 Bơm bánh răng

Hình 1.4

Tâm trục (trục đứng)

Hình 3.12 Động cơ điện

Hình 1.5

Turbine chéo trục

Hình 3.13 Van tỷ lệ

Hình 1.6

Turbine gáo trục ngang

Hình 3.14 Sơ đồ kết nối điều khiển

Hình 1.7

Turbine gáo trục ngang

Hình 3.15 Van 4/2

Hình 1.8

Turbine tia nghiêng

Hình 3.16 Lọc hồi

Hình 1.9

Turbine xung kích hai lần.

Hình 3.17 Van tiết lưu

Hình 1.10 Turbine xung kích hai lần

Hình 3.18 Xylanh thuỷ lực

Hình 1.11 Phân loại điều tốc

Hình 3.19 Van một chiều

Hình 1.12 Bộ điều tốc cơ khí

Hình 3.20 Thước đo dầu

Hình 1.13 Bộ điều tốc thuỷ - cơ

Hình 3.21 Nắp đổ dầu

Hình 2.1

Đường đặc tính cơ bản

Hình 3.22 Hút ẩm

Hình 2.2

Họ đường đặc tính khi a thay đổi

Hình 3.23 Đồ thị xác định ξ

Hình 2.3

Đặc tính điều chỉnh tổ máy

Hình 3.24 Manifold

Hình 2.4

Đặc tính cơ với H thay đổi

Hình 4.1

Sơ đồ hàm truyền

Hình 2.5

Sơ đồ kết cấu điều chỉnh

Hình 4.2

Sơ đồ khâu tuabin

Hình 2.6

Sơ đồ khối điều khiển

Hình 4.3

Sơ đồ khâu khuyếch đại

Hình 2.7

Sơ đồ thuỷ lực

Hình 4.4

Cấu trúc khâu khuyếch đại

Hình 3.1

Sơ đồ phân bố cánh hướng

Hình 4.5

Cấu trúc điều chỉnh xylanh

Hình 3.2

Sơ đồ đặt lực cánh tay đòn

Hình 4.6

Cấu trúc mạch điều khiển vị trí

Hình 3.3

Sơ đồ tính toán kết cấu

Hình 4.7

Cấu trúc điều chỉnh tần số

Hình 3.4

Sơ đồ tính cân bằng

Hình 4.8

Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ

Hình 3.5

Kích thước tính thùng dầu

Hình 4.9

Mạch vòng điều khiển vị trí

Hình 3.6

Hình dáng thùng dầu

Hình 4.10 Sơ đồ điều chỉnh tần số

Hình 3.7

Hình dáng bình tích năng

Hình 3.8

Phân bố ứng suất

5


MỞ ĐẦU
Trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghiệp và sự phát triển của
kinh tế thì năng lượng điện càng trở thành một nguồn năng lượng quan trọng bậc
nhất cho sự phát triển. Cung cấp điện năng là một trong những tiêu chí để đánh giá

sự phát triển của một quốc gia, một vùng. Ở Việt Nam hiện nay năng lượng điện
được cung cấp chủ yếu là bởi Thuỷ điện. Với lợi thế nhiều sông suối do vậy trữ
lượng Thuỷ năng là rất lớn. Việc sử dụng nguồn năng lượng này cho nhu cầu của
công nghiệp và kinh tế không ngừng gia tăng đặc biệt khi các nguồn năng lượng
càng ngày càng cạn kiệt, giá cả cao so với thuỷ điện. Nguồn năng lượng Thuỷ điện
được xếp vào năng lượng sạch, năng lượng tái tạo phục vụ công nghiệp, kinh tế và
đời sống của người dân.
Sự phát triển về năng lượng điện đồng thời cũng phải chú trọng tới chất
lượng dòng điện cung cấp cho phụ tải. Chất lượng dòng điện chủ yếu được đánh
giá bởi các thông số về điện áp và tần số của nó. Do vậy phải hết sức chú ý tới
việc đảm bảo sự ổn định của những thông số của mạng truyền tải điện. Mạng
truyền tải được cung cấp năng lượng điện từ nhiều tổ máy phát điện vận hành song
song và truyền năng lượng này tới các phụ tải do vậy cần có sự phân phối phụ tải
hợp lý cho các tổ máy tham gia tổ máy tham gia hệ thống và chất lượng của dòng
điện của mạng lưới truyền tải điện phụ thuộc vào chất lượng dòng điện của từng tổ
máy riêng biệt và đảm bảo sự an toàn cho các tổ máy khí nó hoạt động.
Bất kỳ một trạm Thuỷ điện nào, hay trạm phát điện dùng một loại năng
lượng nào đều cần có những thiết bị để đảm bảo chất lượng dòng điện. Thiết bị
chính để thực hiện những nhiệm vụ đó là hệ thống điều tốc. Hệ thống điều tốc cho
trạm phát điện đều có những chức năng:
- Giữ vận tốc vòng quay của tổ máy không đổi trong phạm vi thay đổi của
phụ tải (ổn định tần số dòng điện).
- Phân bố phụ tải của các tổ máy làm việc song song.

6


- Thực hiện mở và tắt máy trong điều kiện bình thường hoặc trong điều
kiện sự cố.
Hiện nay các hệ thống điều tốc cho turbine nước dùng trong Thuỷ điện chủ

yếu được nhập từ nước ngoài. Việc nhập khẩu này gặp những khó khăn thường
thấy: Sử dụng ngoại tệ để thanh toán, việc nhập khẩu này làm cho công việc bảo
hành, bảo dưỡng gặp khó khăn vì cần có chuyên gia nước ngoài của hãng. Việc
thiết kế chế tạo hệ thống điều tốc đã trở nên cấp thiết khi công nghệ thiết kế chế
tạo turbine nhỏ đang dần được hoàn thiện và phát triển.
- Trong luận văn này tác giả đặt ra mục tiêu của đề tài : “Nghiên cứu,
Thiết kế chế tạo hệ thống điều tốc Điện - Thuỷ lực cho turbine Francis”.
Turbine được đưa trong luận văn này được sử dụng cho Công trình thuỷ điện Suối
Tân.

7


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TURBINE VÀ ĐIỀU TỐC TURBINE
1.1 Phân loại Turbine
Vì điều kiện thiên nhiên (địa hình, địa chất và thuỷ văn) của các trạm
thuỷ điện khác nhau, cho nên cột nước của trạm thuỷ điện và lưu lượng nước đi
qua turbine cũng rất khác nhau. Phạm vi biến đổi cột nước rất lớn từ một vài
mét đến hàng nghìn mét. Phạm vi biến đổi của lưu lượng nước cũng rất lớn từ
vài l/s ở thuỷ điện nhỏ kiểu gia đình đến hàng trăm m3/s ở những trạm thuỷ
điện lớn. Vì vậy, turbine phải có nhiều kiểu, nhiều cỡ khác nhau mới đáp ứng
được nhu cầu sử dụng năng lượng nước.
Tuỳ theo kiểu tác động của dòng nước và bánh xe công tác mà chia
turbine thành hai loại chính: turbine phản lực và turbine xung lực. Mỗi loại
turbine lại được chia thành nhiều hệ khác nhau. Trong mỗi hệ lại chia thành
nhiều kiểu turbine theo mẫu bánh xe công tác và các cỡ (kích thước) khác nhau:
1.1.1 Turbine phản lực
Loại turbine phản lực là hệ turbine được sử dụng rộng rãi nhất, bao gồm
phạm vi cột từ 1,5m đến 600m. Turbine phản lực làm việc nhờ cả hai phần thế

năng và động năng, mà chủ yếu là thế năng của dòng chảy. Trong hệ turbine
phản lực, dòng chảy đi từ thượng lưu, qua ống dẫn vào buồng dẫn, đi vào bánh
công tác (nơi làm nhiệm vụ biến đổi thuỷ năng thành cơ năng), rồi theo ống hút
đi ra hạ lưu. Vì vậy áp suất ở cửa vào luôn lớn hơn ở cửa ra. Dòng chảy trong
turbine là dòng chảy liên tục điền đầy toàn bộ máng dẫn cánh. Trong vùng bánh
xe công tác turbine, dòng chảy biến đổi cả động năng và thế năng. Trong đó
vận tốc dòng chảy qua turbine tăng dần, áp suất giảm dần. Máng dẫn của cánh
hình côn nên gây ra độ chênh áp trên mặt cánh, từ đó tạo ra mômen quay. Có
các hệ sau:

8


1.1.2 Turbine hướng trục
Turbine hướng trục (còn gọi là turbine Propeller) dùng ở trạm thuỷ điện
cột nước thấp H= 1,5÷40 m. Có số cánh từ 3 đến 9.
Kết cấu một số hệ loại turbine hướng trục thường gặp:
Turbine hướng trục có kết cấu đơn giản nhất trong các loại turbine phản
lực. Kết cấu của nó thay đổi tuỳ thuộc vào cột nước, công suất tác dụng và cách
lắp đặt (đặt đứng hoặc nằm).

Hình 1.1. Turbine hướng trục trục đứng.
1.1.3 Turbine cánh quay
Turbine cánh quay (còn gọi là turbine Kaplan) thường gặp ở các trạm
thuỷ điện vừa và lớn với cột nước thấp và trung bình. Mẫu turbine này do giáo
sư Vikto Kaplan người Tiệp Khắc cũ đề xuất năm 1913. Cột nước làm việc của
turbine này là H= 2÷90 m. Đường kính bánh xe công tác lớn nhất hiện nay là
10,5m.

9

Hình 1.2 Turbine Kaplan
Turbine cánh quay cấu trúc phức tạp hơn turbine hướng trục. Sự khác
nhau chủ yếu ở chỗ cánh bánh công tác và bầu bánh công tác được chế tạo
riêng biệt. Ở đây cánh bánh công tác có trục quay cánh và ổ đỡ nên cánh có thể
quay được. Bên trong bầu bánh công tác lắp đặt pittong động cơ secvo có các
tai nối với các cánh bánh công tác qua thanh kéo và thanh quay làm quay đồng
thời các cánh bánh xe công tác. Nhờ vậy, khi cột nước làm việc và lưu lượng
của turbine thay đổi ta có thể thay đổi góc đặt cánh của turbine để quá trình
chuyển hoá năng lượng đạt kết quả cao nhất. Buồng bánh công tác ở phía trên

10


có dạng hình trụ, còn phần dưới có dạng bán cầu để đảm bảo khe hở giữa cánh
và buồng bánh công tác nhỏ. Chỗ tiếp nối buồng bánh công tác với ống hút bị
thắt lại gọi là cổ ống hút, có đường kính Dh=(0,973÷0,982)D1.
1.1.4 Turbine tâm trục
Turbine tâm trục (còn gọi là turbine Francis) thường gặp ở các trạm thuỷ
điện có cột nước trung bình và tương đối cao. Đề xuất mẫu turbine này là kỹ sư
Francis người Mỹ (1855).

Turbine được sử dụng ở cột nước cao

H =

40÷700m với turbine lớn hay H = 2÷200m với turbine nhỏ.
Turbine tâm trục là một trong những hệ turbine phản lực được sử dụng
rộng rãi nhất. Chuyển động của chất lỏng trong bánh công tác lúc đầu theo

hướng xuyên tâm. Khi đi qua rãnh giữa các cánh bánh công tác dòng nước
chuyển hướng 900 và ra khỏi bánh công tác theo hướng dọc trục. Vì thế được
gọi là turbine tâm trục. Về kết cấu, các bộ phận của turbine tâm trục như:
buồng bánh công tác, ống hút, bộ phận hướng dòng, trục, ổ trục... không có
khác biệt nhiều so với turbine chong chóng và turbine cánh quay, trừ bánh công
tác.
Bánh công tác turbine tâm trục gồm có vành trên 1, vành dưới 2. Giữa
hai vành là các cánh có dạng cong không gian ba chiều. Số lượng cánh từ 12
đến 22 chiếc. Bánh xe công tác turbine tâm trục thường được đúc thành một
khối. Trong điều khiện vận chuyển hạn chế có thể chế tạo bánh xe công tác
gồm hai hoặc 3 mảnh. Khi lắp ráp tại hiện trường sẽ hàn nối các rãnh phân chia.
Cũng có khi người ta chế tạo cánh bánh xe công tác riêng rồi hàn hoặc đúc liền
vào vành trên và vành dưới. Bánh xe công tác turbine tâm trục cột nước trung
bình (H<80m) có tỷ số

D1
D
>1, còn với cột nước cao thì tỷ số 1 <1
D2
D2

11


Hình 1.3. Turbine tâm trục (Trục ngang)

.
Hình 1.4 Tâm trục (trục đứng)

12

1.1.5 Turbine hướng chéo
Turbine chéo trục là loại turbine xuất hiện trong thời gian gần đây, đặc
điểm của nó là cánh bánh công tác đặt nghiêng với trục quay một góc 450÷600.

Hình 1.5. Turbine chéo trục với bộ phận hướng dòng.
1.1.6 Loại turbine xung lực
Trong turbine xung lực chỉ có phần động năng của dòng chảy tác dụng
lên bánh công tác, còn phần thế năng bằng không. Hệ turbine này phát ra công
suất nhờ động năng của dòng chất lỏng, còn áp suất ở cửa vào ra của turbine là
áp suất khí trời.
Có các hệ sau:
a. Turbine gáo
Turbine gáo (còn gọi là turbine Pelton) do kỹ sư người Mỹ Pelton đề
xuất năm 1870. Turbine gáo thường dùng trạm thuỷ điện có cột nước cao, với H
= 300÷2000m ở thuỷ điện lớn và H = 40÷250m ở thuỷ điện nhỏ.
Turbine gáo thuộc loại turbine xung kích, có nguyên lý làm việc
khác với turbine phản lực, nên cấu tạo cũng khác nhau.

13


Hình 1.6. Turbine gáo trục ngang.

Hình 1.7 Turbine gáo trục ngang
b. Turbine tia nghiêng
Turbine tia nghiêng khác với turbine gáo là dòng chảy từ vòi phun hướng
vào bánh xe công tác dưới một góc nghiêng. Bánh xe công tác bao gồm các

14


cánh cong gắn chặt lên hai đĩa bên cánh bánh công tác có hình dáng đơn giản
hơn dạng gáo nên dễ chế tạo.

Hình 1.8 Turbine tia nghiêng
Vòi phun của turbine tia nghiêng tương tự như vòi phun của turbine gáo.
Turbine tia nghiêng được lắp cho trạm thuỷ điện nhỏ.
Hiệu suất của turbine tia nghiêng thường nhỏ hơn hiệu suất của turbine
gáo.
c. Turbine xung kích hai lần
Turbine xung kích hai lần có kết cấu đơn giản nên thường được dùng ở
trạm thuỷ điện nhỏ cột nước cao. Turbine gồm vòi phun có tiết diện chữ nhật.
Vòi phun được điều chỉnh lưu lượng bằng van phẳng gắn vào trục điều chỉnh.
Khi quay vô lăng sẽ làm trục điều chỉnh xê dịch làm thay đổi tiết diện vòi phun.
Bánh xe công tác gồm hai đĩa và các cánh cong gắn vào giữa hai đĩa, số cánh
thường từ 12 đến 48 chiếc. Trục turbine xuyên qua chính giữa bánh xe công tác
qua tâm hai đĩa. Do ở giữa bánh xe công tác rỗng nên nước sau khi bắn vào
cánh bánh xe công tác nằm ở dưới một lần nữa trước khi ra khỏi bánh xe công
tác rơi xuống buồng thoát. Vì thế turbine này có tên là turbine xung kích hai
lần. ở lần thứ nhất dòng nước truyền khoảng 70% năng lượng, còn lần tác động
thứ hai trao tiếp 30% năng lượng còn lại. Phạm vi tác dụng của turbine xung

15


kích hai lần với cột áp H = 24÷200 m. Hiệu suất có thể đạt được từ 60 đến 83
%. Turbine này có kết cấu đơn giản, được sử dụng rộng rãi từ một vài kW đến
vài MW

Hình 1.9. Turbine xung kích hai lần.

Hinh 1.10 Turbine xung kích hai lần

16


1.2 Phõn loi v gii thiu cỏc loi iu tc
1.2.1 Phõn loi theo nguyờn lý iu chnh
- B iu tc tỏc ng theo gia tc
- B iu tc tỏc ng theo ti
- B iu tc tỏc ng theo vn tc
- B iu tc tỏc ng theo vn tc v gia tc
- B iu tc tỏc ng theo vn tc v theo ti
1.2.2 Theo nguyờn lý tỏc ng ca b iu tc
- B iu tc tỏc ng trc tip
- B iu tc tỏc ng giỏn tip
1.2.3 Theo c im ca s iu chnh
- B iu tc cú mi liờn h ngc (cú khõu phn hi)
- B iu tc c mi liờn h ngc
1.2.4 Theo tớnh cht ca mi liờn h ngc
- B iu tc cú mi liờn h ngc cng
- B iu tc cú mi liờn h ngc mm
1.2.5 Theo phng phỏp iu chnh

máy điều tốc

điều chỉnh lu lợng

Cơ khí

điều chỉnh phụ tải

Cơ

điện

điện tử

thuỷ lực

thuỷ lực

điện

analog

digital

analog

analog

digital

Hinh 1.11 Phõn loi iu tc
a. B iu tc c khớ

17

digital


Hình 1.12 Bộ điều tốc cơ khí
b. Bộ điều tốc thuỷ cơ
Đây là loại máy điều tốc ra đời từ rất lâu. Bộ phận điều khiển là bộ phận cơ
học, như: con lắc li tâm, con lắc thuỷ lực; bộ phận chấp hành là thuỷ lực
(secvomotor thuỷ lực), các bộ phận khác đều là các cơ cấu cơ khí hoặc thuỷ lực.

Hình 1.13 Bộ điều tốc Thuỷ - Cơ

18


Ưu điểm :
- Có khả năng điều khiển các turbine thuỷ điện có công suất cao.
- Tín hiệu điều chỉnh là liên tục.
- Độ bền cao.
Nhược điểm:
- Hệ thống cứng nhắc khó thay đổi các hệ số điều khiển khi phải điều khiển
các hệcó nhiều sự thay đổi lớn.
- Độ trễ của thiết bị lớn.
- Độ sai lệch tĩnh lớn.
Hiện nay ở các nước phát triển rất ít dùng loại này.
c. Bộ điều tốc điện thuỷ lực
• Điều khiển tương tự
Cũng như loại trên, loại điều tốc này có bộ phận chấp hành là thiết bị thuỷ
lực, còn lại bộ phận cảm ứng và các bộ phận khác đều là thiết bị điện tử tương tự.
Ưu điểm:

- Gọn nhẹ, dễ dùng hơn bộ điều tốc Cơ - Thuỷ lực
- Khả năng công nghiệp hoá cao.
- Tín hiệu điều khiển liên tục.
- Đảm bảo độ nhạy, độ chính xác điều khiển
Nhược điểm:
- Hệ thống vẫn còn cứng nhắc, khả năng thay đổi các thông số phụ thuộc
nào phần cứng.
- Có sự trôi trượt các tham số do đặc điểm của các linh kiện analog.
- Độ quá điều chỉnh còn lớn
- Để chế tạo một hệ điều khiển có nhiều tính năng thì rất phức tạp
- Giá thành chế tạo các phần tử thủy lực còn cao.
• Điều khiển số
Cũng như loại trên, loại điều tốc này có bộ phận chấp hành là thiết bị thuỷ
lực, còn lại bộ phận cảm ứng và các bộ phận khác đều là thiết bị điện tử số.

19


Ưu điểm:
- Gọn nhẹ, dễ dùng thay đổi các thông số điều chỉnh
- Có khả năng tự truy tìm hằng số thời gian của tổ máy để cho ra tín hiệu
điều chỉnh tương thích.
- Độ chính xác cao, sai lệch tĩnh nhỏ.
- Độ quá điều chỉnh nhỏ
Nhược điểm:
- Giá thành chế tạo các phần tử thủy lực còn cao.
d) Điều tốc Điện tử -Điện
Loại điều tốc này có bộ phận chấp hành là động cơ điện, còn lại bộ phận
cảm ứng và các bộ phận khác đều là thiết bị điện tử tương tự. Loại điều tốc này có
chung các ưu nhược điểm như loại máy Điện -Thuỷ lực, ngoại trừ phần chấp hành

là điện, phù hợp hơn khi áp dụng trong các trạm thủy điện nhỏ
e ) Điều tốc Điện tử số - Điện
Loại điều tốc này có bộ phận chấp hành là động cơ điện, còn lại bộ phận
cảm ứng và các bộ phận khác đều là thiết bị điện tử số. Loại điều tốc này có chung
các ưu nhược điểm như loại máy Điện tử số -Thuỷ lực, ngoại trừ phần chấp hành
là điện, phù hợp hơn khi áp dụng trong các trạm thủy điện nhỏ.
1.2.6

Theo số cơ cấu điều chỉnh trong bộ điều tốc
- Bộ điều tốc đơn
- Bộ điều tốc kép

1.2.7

Theo trạng thái tuần hoàn của dầu trong hệ thống thuỷ lực
- Bộ điều tốc có dầu tuần hoàn liên tục
- Bộ điều tốc có dầu tuân hoàn không liên tục
Nhận xét:
Trong chương này chúng ta đã tổng quan về turbine nước: Lịch sử ra đời

và xu hướng phát triển, đặc biệt là phân loại các loại turbine nước đang được sử
dụng rộng rãi, kết cấu và các bộ phận chính của turbine nước. Phân loại được

20