Giáo trình thủy điện 2

LỜI NÓI ĐẦU
Để đáp ứng nhu cầu học tập Thuỷ điện của sinh viên khoa Xây dựng Thuỷ
lợi - Thuỷ điện thuộc Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng trong giai đoạn mới,
chúng tôi biên soạn giáo trình "Turbine thuỷ lực - các thiết bị thuỷ lực và Công
trình trạm Thuỷ điện" (là giáo trình môn học Thuỷ điện 2). Giáo trình này được
biên soạn theo nội dung "Đề cương môn học Thuỷ điện" đã được nhà trường phê
duyệt năm 2005.
Giáo trình Thuỷ điện 2 gồm 17 chương, được trình bày trong hai phần lớn:
phần I (thiết bị thuỷ điện) và phần II (công trình Thuỷ điện):
Phần I - "Turbine thuỷ lực - các thiết bị thuỷ lực" của trạm thuỷ điện, gồm
8 chương (từ chương I đến chương VIII). Phần này dùng để giảng với 20 tiết trên
lớp, nội dung tìm hiểu: turbine thuỷ lực, thiết bị điều tốc, các thiết bị phụ và các
hệ thống thiết bị phụ thuỷ lực ... về cấu tạo, tính năng hoạt động cũng như lựa
chọn, tính toán xác định các thông số cơ bản và kích thước của thiết bị đủ phục
vụ cho thiết kế trạm thuỷ điện.
Phần II - "Công trình trạm thuỷ điện", gồm 9 chương dùng để giảng 40
tiết trên lớp, thuộc hai phần: Phần IIa -"Các công trình thuộc tuyến năng lượng"
với 7 chương (từ chương IX đến chương XV), bao gồm các công trình thuộc
tuyến năng lượng: cửa lấy nước, bể lắng cát, công trình dẫn nước, bể áp lực,
đường ống turbine, buồng điều áp. Nội dung trình bày về cấu tạo cũng như tính
toán xác định kích thước các công trình thông qua tính toán thuỷ lực và tính toán
dòng không ổn định của chúng. Phần IIb - "Nhà máy thuỷ điện", gồm 2 chương
XVI và XVII, nội dung trình bày các loại nhà máy thuỷ điện và một số thiết bị cơ
điện của chúng, cách bố trí, xác định kích thước nhà máy, tính toán ổn định và
tính kết cấu các phần dưới nước của nhà máy.
Giáo trình này đề cập khá đầy đủ nội dung chuyên môn của môn học Thủy
điện 2, đáp ứng 60 tiết giảng trên lớp và còn có thể dùng tham khảo thêm sau này
khi sinh viên ra trường tham gia vào lĩnh vực thiết kế công trình thuỷ điện sẽ gặp
phải.
Trong quá trình biên soạn giáo trình, do khả năng có hạn do vậy không
tránh khỏi thiếu sót, mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của đồng nghiệp và

bạn đọc để sửa chữa cho tốt hơn.
Tháng 5 - 2006
Tác giả

1



2



Phần I
TURBINE THỦY LỰC & CÁC THIẾT BỊ THỦY LỰC CỦA TTĐ
Turbine thủy lực là loại động cơ chạy bằng sức nước, nó nhận năng lượng dòng
nước để quay và kéo rô to máy phát điện quay theo để tạo ra dòng điện. Tổ hợp turbine
thủy lực và máy phát điện gọi là "Tổ máy phát điện thủy lực". Ở phần này chúng ta chỉ
nghiên cứu về turbine thủy lực, thiết bị điều tốc và giới thiệu một số hệ thống thiết bị
thủy lực có liên quan .
Chương I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TURBINE THỦY LỰC
I. 1. PHÂN LOẠI TURBINE THỦY LỰC CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN
Trong quá trình đấu tranh sinh tồn và cải tạo thế giới tự nhiên, loài người đã sớm
biết sử dụng các động cơ thủy lực: từ những bánh xe nước dùng vào việc kéo máy xay
xát nông sản đến phát triển chúng lên thành những turbin thuỷ lực hiện đại kéo máy
phát điện để sản xuất ra điện năng ngày nay. Để sử dụng một cách có hiệu quả năng
lượng dòng nước đặc trưng bởi tổ hợp cột nước và lưu lượng khác nhau cần phải có đủ
những loại turbine khác nhau về cấu tạo, kích thước cũng như quá trình làm việc của
chúng.
Dựa vào việc sử dụng dạng năng lượng trong cơ cấu bánh xe công tác (BXCT)
của turbine người ta chia turbine thủy lực ra làm hai loại: turbine xung kích và turbine

phản kích. Trong các loại lại chia ra các hệ và các kiểu turbine.
Viết phương trình Becnully cho cửa vào (chỉ số1) cửa ra (chỉ số2) của bánh xe
công tác turbine, ta có năng lượng viết cho một đơn vị trọng lượng nước như sau:

α1 V12 − α 2 V22
p1 − p 2
+
H = (Z1 - Z2) +
2g
γ
Z1-Z2 : là thành phần năng lượng do chênh lệch vị trí tạo ra, gọi là vị năng;
p1 − p 2
: là áp năng; gộp vị năng và áp năng thành thế năng ( T ).
γ
α1 V12 − α 2 V22
: là động năng ( Đ ).
2g
Từ những thành phần năng lượng trên ta có những loại turbine thuỷ lực sau:
* Turbine chỉ sử dụng phần động năng để làm quay BXCT gọi là loại turbine xung
kích. Loại này còn gọi là turbine dòng chảy không áp vì dòng chảy trong môi trường
khí quyển nên chuyển động của dòng tia trên cánh BXCT là chuyển động không áp, áp
suất ở cửa vào và cửa ra như nhau và bằng áp suất khí trời. Turbine xung kích đuợc chia
ra các hệ sau:
+ Hệ turbine xung kích gáo (turbine Penton);
+ Hệ turbine xung kích kiểu phun xiên;
+ Hệ turbine xung kích hai lần (turbine Banki).

3

* Turbine sử dụng cả thế năng và động năng, trong đó phần thế năng là chủ yếu gọi là
loại turbine phản kích . Loại này còn gọi là turbine dòng chảy có áp, áp lực dòng chảy
ở cửa vào của BXCT luôn lớn hơn áp lực ở cửa ra của nó. Dòng chảy qua TB là dòng
liên tục điền đầy nước trong toàn bộ máng cánh. Loại này được chia ra các hệ sau:
+ Hệ TB xuyên tâm hướng trục ( gọi tắt là là turbine tâm trục, hay Franxis);
+ Hệ TB hướng trục ( gồm turbine cánh quạt và turbine cánh quay );
+ Hệ TB hướng chéo;
+ Hệ TB dòng ( gồm turbine dòng nửa thẳng và turbine dòng thẳng );
+ Hệ TB thuận nghịch ( làm việc theo hai chế độ: máy bơm và turbine).
I . 2. TURBINE XUNG KÍCH
Như trên đã nói, turbine xung kích là loại chỉ sử dụng phần động năng của dòng
chảy. Ở loại turbine này, dòng nước sau khi ra khỏi vòi phun thì toàn bộ năng lượng
dòng chảy đều biến thành động năng để đẩy bánh xe công tác. Vì chảy trong môi trường
khí quyển nên chuyển động của dòng tia trên các cánh bánh xe công tác (BXCT) là
chuyển động không áp hay còn gọi là dòng tia tự do. Sau đây chúng ta nghiên cứu cụ
thể các hệ của turbine xung kích:
I . 2 .1. Turbine xung kích gáo ( còn gọi là turbine Penton )
Turbine này do người Mỹ tên là Penton đưa ra năm 1880 nên còn gọi là turbine
Penton. Quá trình hoạt động của turbine gáo như sau (xem hình 1-1): nước từ thượng
lưu theo ống áp lực 1 chảy qua vòi phun 2 (ở đây lưu lượng được điều chỉnh trước khi
phóng vào cánh BXCT nhờ van kim 7), rồi phóng vào cánh dạng gáo 4 của turbine, làm
quay BXCT kéo theo trục turbine 5 quay, nước đập vào cánh gáo bị bắn ra hai phía và
được vỏ 6 của turbine gom lại dẫn về hầm xả để tháo về hạ lưu của nhà máy.

Hình 1-1. Turbine xung kích gáo
Sau đây chúng ta xem xét cấu tạo và tác dụng các bộ phận chính của turbine gáo
(hình 1-2). Vòi phun 1 nhận nước từ ống áp lực biến toàn bộ năng lượng dòng nước
thành động năng trước khi đưa vào BXCT và điều chỉnh lưu lượng vào turbine nhờ dịch

4



chuyển qua lại của van kim 3 đặt bên trong (hình 1-2,a). Turbine gáo cột nước cao và
ống áp lực dài còn có bộ phận tách dòng 5 để hướng một phần hay toàn bộ tia nước
không cho vào BXCT để tránh hiện tượng nước va xảy ra quá lớn khi đóng nhanh van
kim của nó. Bộ phận này chỉ làm việc khi cắt giảm phụ tải máy phát điện. Khi phụ tải
giảm, van kim cần phải nhanh chóng đóng bớt độ mở để giảm lưu lượng thich hợp, tuy
nhiên nếu van đóng quá nhanh trong vòi phun sẽ xuất hiện áp lực nước va quá lớn làm
bể vòi phun. Để giảm trị số áp lực nước va, lúc này máy điều tốc sẽ nhanh chóng nhấc
thiết bị tách dòng 5 lên ngắt bớt phần lưu lượng thừa ra khỏi cánh gáo. Nhờ vậy lưu
lượng vào BXCT vẫn giảm ngay theo yêu cầu giảm tải mà van kim chỉ phải đóng từ từ.
Sự phối hợp dịch chuyển van kim và thiết bị tách dòng liên hợp với nhau nhờ cơ cấu
liên hợp trong máy điều tốc (xem chương VII -Thiết bị điều tốc của turbine thuỷ lực).

Hình 1-2. Các bộ phận chính của turbine gáo
Bánh xe công tác của turbine gáo ( hình 1-1 và 1-2b,c ) gồm có đĩa 1 trên chu vi
đĩa có gắn các cánh dạng gáo 2 (nên gọi là gáo). Phụ thuộc vào cột nước mà số gáo có
từ 14÷60 cánh. BXCT có thể là một khối liền khi các cánh gáo và đĩa được đúc thành
một khối, và không phải là khối liền khi cánh gáo được đúc riêng và được gắn lên đĩa
bằng bu lông hoặc hàn. Chính giữa cánh gáo có gân 3 chia gáo làm hai phần bằng nhau
để chia tia nước tác động vào gáo thành hai phần đi về hai hướng bắn ra hai bên. Đuôi
dưới của cánh gáo được khoét hõm 4 để cho tia nước xuyên qua hõm của cánh trước

5



đập thẳng vào cánh gáo thẳng góc (theo chiều quay) làm tăng cánh tay đòn của mômen

quay và tránh mômen ngược của tia nước vào phía sau gáo nằm phía trước.
Vỏ turbine có nhiệm vụ không cho nước từ buồng BXCT bắn ra ngoài gian
máy. Vỏ phải có kích thước và hình dáng thế nào để hứng nước từ gáo xuống hầm xả
mà không rơi ngược trở lại phía sau gáo làm cản trở việc quay của BXCT. Điều này rất
quan trọng đối với turbine gáo trục đứng có nhiều vòi phun.
Hầm xả có nhiệm vụ tập trung nước sau khi đi khỏi BXCT lại để dẫn về hạ lưu.
Mực nước trong hầm xả phải bảo đảm thấp hơn cao trình thấp nhất của BXCT một
khoảng nào đó, thường là bằng đường kính D1 và đặt cao hơn mức nước trong hầm xả.
Loại trục ngang thường có công suất bé và có từ một đến hai vòi phun cho mỗi
BXCT (hình 1-1,b), số lượng bánh xe công tác trên một trục thường nhỏ hơn ba. Loại
trục đứng có số vòi phun nhiều hơn, thường hai đến sáu vòi, được bố trí đều chung
quanh BXCT. Hình 1-3 là biểu thị turbine gáo trục đứng có sáu vòi phun.

Mặt bằng

Mặt đứng

Hình 1-3. Turbine gáo trục đứng nhiều vòi phun
Turbine gáo sử dụng động năng để quay do vậy cần tạo nên vận tốc dòng phun
lớn để tăng công suất turbine, măt khác kết cấu BXCT rất vững chắc do vậy turbine này
được sử dụng với cột nước cao lưu lượng nhỏ. Turbine gáo loại lớn có phạm vi sử dụng
cột nước từ 200÷2000m hoặc hơn nữa, turbine gáo loại nhỏ thì từ 40÷250m. Trục
turbine gáo có thể đứng (hình 1-3) hoặc ngang. Trạm TĐ Bôgôta ở Côlombia đã đạt đến
cột nước rất cao H = 2000m, công suất lắp máy N = 500 MW. Trạm Raisec ở Úc có cột
nước H = 1767m. Nước ta có các trạm H = 500÷800m như Vĩnh Sơn và Đa Nhim, sử
dụng hệ turbine xung kích gáo.
I. 2. 2. Turbine xung kích hai lần ( turbine Banki )
Turbine xung kích hai lần có phạm vi sử dụng cột nước từ 6÷150m, thường từ
10÷60m. Kết cấu của nó rất đơn giản (hình1-4), dễ chế tạo nên được sử dụng rộng rãi ở
các trạm thủy điện nhỏ có lưu lượng bé, cột nước vừa, trục thường nằm ngang.

6



Hình 1-4. Turbine xung kích 2 lần
Turbine gồm có vòi phun tiết diện hình chữ nhật 4 được nối liền với đoạn ống
chuyển tiếp 8. Vòi có cơ cấu điều chỉnh lưu lượng gồm van phẳng 3 gắn với trục điều
khiển 2 có tay quay vô lăng. Khi vô lăng quay, trục điều chỉnh sẽ tịnh tiến về phía trước
hoặc phía sau làm cho tiết diện ra của vòi phun thay đổi, nên lưu lượng vào turbine cũng
được thay đổi theo. Bánh xe công tác gồm các cánh cong 7 được gắn giữa các đĩa 6, số
cánh từ 12÷48. Trục turbine xuyên qua giữa bánh xe công tác gắn chặt với các đĩa bằng
then. Vỏ (buồng) 9 dùng để chắn không cho nước từ BXCT bắn ra ngoài. Hầm xả 5 có
nhiệm vụ dẫn nước về hạ lưu.
Hình dáng BXCT turbine xung kích hai lần gần giống lồng sóc. Dòng nước từ
vòi phun tác dụng vào các cánh phía trên (nhận khoảng chừng 80% năng lượng của
dòng nước) đẩy BXCT lần thứ nhất, xong lại đi vào khoảng trống giữa BXCT rồi lại tác
dụng lần thứ hai vào cánh trước khi ra khỏi bánh xe công tác (nhận thêm 20÷30% phần
năng lượng còn lại). Cũng chính vì thế ta gọi nó là turbine xung kích hai lần. Hiệu suất
của loại turbine này tùy thuộc vào số cánh của BXCT và vào khoảng 80÷85%. Ưu điểm
cơ bản của turbine xung kích hai lần là có thể chọn đường kính BXCT và số vòng quay
turbine trong một phạm vi rộng mà không phụ thuộc vào lưu lượng, bởi vì lưu lượng
không chỉ phụ thuộc vào đường kính mà còn phụ thuộc vào chiều rộng BXCT nữa. Như
vậy có thể chế tạo turbine với đường kính bé để có vòng quay lớn, do vậy giảm giá
thành chế tạo turbine và tổ máy thủy lực.
I. 2. 3 Turbine xung kích phun xiên
Turbine xung kích phun xiên (hình 1-5) có hình dạng giống turbine gáo chỉ khác
ở kết cấu BXCT và hướng của tia nước vào BXCT. Tia nước bắn vào BXCT không
trực giao với cánh mà làm với cánh một góc α, nhờ thế có thể làm vành ghép mép ngoài
của BXCT nên đơn giản hóa được cách ghép cánh vào đĩa. Hình dạng cánh loại này

cũng dễ chế tạo hơn. Nó cho phép gia công hàng loạt bằng cách đập. Turbine tia
nghiêng ít được sử dụng rộng rãi, nó chỉ được sử dụng ở TTĐ nhỏ có cột nước vào
khoảng H = 30÷400m.

7



Hình 1-5. Turbine xung kích phun xiên
I . 3. TURBINE PHẢN KÍCH
Turbine phản kích là loại sử dụng phần thế năng và một phần động năng của
dòng nước. Bánh xe công tác của nó làm việc trong môi trường chất lỏng liên tục và áp
lực nước ở phía trước bánh xe công tác lớn hơn phía sau của nó. Khi chảy qua rãnh tạo
bởi bề mặt cong của các cánh, dòng nước sẽ thay đổi hướng tác dụng lên cánh và làm
quay BXCT. Dựa vào hướng của dòng nước ở cửa vào và cửa ra BXCT người ta chia
turbine làm các hệ: tâm trục, hướng trục, cánh chéo, turbine dòng, thuận nghịch.

Hình 1-6. Các bộ phận chính của turbine phản kích.
Xét về mặt cấu tạo, bất cứ hệ turbine phản kích nào cũng gồm các bộ phận chính
sau: buồng turbine 1, vòng bệ 2, cơ cấu hướng dòng 3, BXCT 4, buồng BXCT 5, ống xả
6, trục và ổ trục 7 và các thiết bị phụ của chúng (hình 1-6).
Sáu bộ phận đầu hình thành bộ phận qua nước của turbine, còn ổ trục và trục là
bộ phận kết cấu có nhiệm vụ tiếp nhận và truyền mô men quay từ BXCT đến rôto của

8



máy phát điện. Trong các bộ phận qua nước thì BXCT là bộ phận trực tiếp biến đổi thủy
năng thành cơ năng chuyển động quay. Bộ phận cơ cấu hướng nước có tác dụng thay

đổi trị số lưu lượng và hướng dòng chảy trước khi đi vào BXCT, còn ống xả được dùng
để tháo nước từ BXCT về hạ lưu.
Sau đây chúng ta lần lượt xem xét các bộ phận của turbine phản kích, các hệ
turbine khác nhau chủ yếu là bánh xe công tác còn các bộ phận khác nhìn chung giống
nhau. Việc phân loại TB phản kích dựa vào hướng dòng nước đi vào và ra khỏi BXCT.
I. 3. 1. Bánh xe công tác của turbine tâm trục (turbine Franxis )
Turbine tâm trục (xem hình 1-7) là một trong những hệ TB phản kích được sử
dụng rộng rãi nhất. Chất lỏng từ buồng 4 qua cánh hướng dòng 3 vào cửa vào cánh 1
BXCT theo hướng xuyên tâm rồi chuyển chuyển hướng 900 và ra khỏi BXCT để vào
ống xả theo hướng dọc trục. Do vậy gọi là turbine tâm trục. Turbine này do kỹ sư người
Pháp tên là Franxis hoàn chỉnh năm 1849 nên còn gọi là turbine Franxis.

Hình 1-7. Bánh xe công tác của turbine tâm trục
BXCT của turbine tâm trục gồm có vành trên 14 và vành dưới 13, các cánh 1 có
dạng cong không gian ba chiều gắn chặt vào hai vành. Số cánh từ 12 đến 22 cánh,
thường là 14 đến 18 cánh. Thường BXCT được đúc liền thành một khối, trường hợp bị
điều kiện vận chuyển hạn chế có thể chế tạo BXCT thành từng phần, khi lắp ráp sẽ dùng
các bulông ghép vành trên và đai ghép nóng ở vành dưới của các phần đó lại hoặc hàn

9



nối các rãnh phân chia. Đối với turbine nhỏ có thể dập cánh, sau đó định vị chúng rồi
đúc liền vành trên và dưới để được BXCT liền khối vững chắc.
Tùy theo cột nước sử dụng, đường kính lớn nhất cửa vào D1 (đường kính tiêu
chuẩn) và đường kính lớn nhất cửa ra D2 mà người ta chia turbine tâm trục làm 3 dạng:
- Dạng D1 < D2 gọi là turbine tỷ tốc cao loại này dùng với cột nước thấp (H< 80m) vì
cấu tạo của chúng có khả năng chịu lực không cao (hình 1-7,b);
- Dạng D 1 > D2 gọi là turbine tỷ tốc thấp (hình 1-7,c) loại này có cấu tạo vững chắc

do vậy chúng được dùng với cột nước cao, đã có turbine làm việc với cột nước 550m;
- Dạng D1 = D2 gọi là turbine tỷ tốc trung bình, nó là loại trung gian giữa 2 loại trên.
Turbine tâm trục có phạm vi sử dụng cột nước thường từ vài mét đến 550m. Ở
nước Nga, Trạm thủy điện Cracnoarck sử dụng loại này với công suất mỗi turbine là
508MW, đường kính D1 = 7,5m. Ở nước ta, TTĐ sông Đà và Trị An đều dùng turbine
tâm trục, TTĐ Hòa Bình dùng 8 turbine tâm trục, công suất mỗi turbine là 240MW, H =
88m.
I. 3. 2. Bánh xe công tác của turbine hướng trục
Gọi là turbine hướng trục vì hướng chảy của dòng nước trong phạm vi BXCT
theo hướng trục quay của turbine. Trên (hình 1-8) nước từ buồng xoắn chảy qua cột
vòng bệ 10 vào cánh hướng nước 3 đổi hướng và chảy vào và ra khỏi cánh 11 của
BXCT 1 theo chiều dọc trục và theo ống xả về hạ lưu nhà máy.

Hình 1-8. Turbine hướng trục.
BXCT gồm có bầu 1 được nối bích với trục turbine 2, xung quanh bầu bố trí các
cánh hình vặn vỏ đổ để áp lực nước tác động lên cánh làm quay BXCT. Liên kết giữa
cánh và bầu theo kết cấu côngxôn nên chịu áp lực thấp, số cánh thường ít do vậy khả
năng tháo nước lớn. Trong hệ hướng trục dựa vào sự liên kết giữa cánh và bầu người ta
chia hệ hướng trục ra hai dạng: turbine có cánh gắn cố định với bầu là turbine cánh
quạt, còn turbine cánh có thể quay quanh trục của nó trên bầu là turbine cánh quay.

10



1. Turbine cánh quạt
BXCT của turbine cánh quạt (hình 1-9) gồm có bầu, có gắn từ 3 đến 9 cánh,
thông thường là 4 đến 8 cánh. Cánh có thể chế tạo liền với bầu tạo thành một khối thống
nhất hoặc chế tạo riêng biệt sau đó gắn chặt vào bầu bằng bulông. Khi đi qua các mặt
cong của cánh, dòng nước buộc phải đổi hướng chuyển động do đó tạo ra một áp lực tác

Hình 1-9. BXCT của turbine cánh quạt
dụng lên cánh làm quay BXCT. Nhược điểm của loại BXCT này là có đường đặc tính
công tác dốc, do vậy khi lưu lượng, cột nước hoặc công suất thay đổi lệch với chế độ
thiết kế thì hiệu suất turbine sẽ giảm đi rất nhanh. Đối turbine tỷ tốc cao chỉ cần lưu
lượng giảm đến còn 45% lưu lượng tính toán thì hiệu suất và công suất có thể giảm đến
không. Do vậy nên cho turbine cánh quạt đảm nhận công suất và cột nước ít thay đổi.
Turbine cánh quạt được sử dụng ở Trạm thuỷ điện có cột nước H = 1,5÷40m, hiện nay
thường dùng ở TTĐ nhỏ, tuy rằng đã có turbine dạng này đường kính đạt đến 9 m.
2. Turbine cánh quay ( Kaplan )
Turbine cánh quay (hình 1-10) là loại ra đời sau cánh quạt. Năm 1924 giáo sư
người Tiệp tên là Kaplan đã cải tiến thành công turbine cánh cố định thành cánh quay
được, nên turbine này còn được gọi là turbine Kaplan. Nhờ cánh có thể quay được xung
quanh bầu, do vậy thích ứng được các chế độ làm việc khác chế độ thiết kế dẫn đến
vùng làm việc của turbine với hiệu suất cao được mở rộng. Do vậy TB cánh quay có
khả năng làm việc với công suất và cột nước thay đổi nhiều. BXCT của TB cánh quay
gồm có: bầu, cánh, chóp thoát nước và bộ phận quay cánh xung quanh BXCT. Bầu phải
có hình cầu để giảm bớt khe hở giữa cánh với bầu khi quay cánh. Chóp thoát nước có
tác dụng làm cho nước chảy khỏi BXCT thuận dòng hơn và giảm được tác dụng mạch
động. Khi làm việc, các cánh BXCT hướng trục chịu tác dụng áp lực nước ở dạng sơ đồ
chịu lực kiểu dầm côngxôn do không có vành dưới, tại nơi tiếp giáp cánh với bầu chịu
mômen uốn lớn nhất. Người ta đã đo được áp lực nước tác dụng lên một cánh có thể đạt
tới 240 tấn. Do vậy phải sử dụng động cơ tiếp lực dầu cao áp mới quay được cánh .
Bộ phận quay cánh gồm trục cánh 6 (hình 1-10,b), động cơ tiếp lực 4, hệ thống
thanh truyền 7. Tay quay 8 được nối với trục cánh 6, còn thanh truyền có chốt nối liền

11

píttông 5 của động cơ tiếp lực với tay quay. Pittông 5 chia xi lanh của động cơ tiếp lực
làm hai ngăn: trên và dưới. Dầu có áp từ thiết bị dầu áp lực qua hai ống dẫn đồng tâm
lồng vào nhau nằm bên trong trục tổ máy. Khi dầu có áp vào một ngăn nào đó của xi
lanh còn ở ngăn kia dầu thông với lỗ dầu xả thì pittông lẫn thanh truyền 7 sẽ dịch lên

Hình 1-10. Turbine Kaplan
hoặc xuống, do đó làm xoay các cánh theo các góc quay như nhau. So với turbine cánh
quạt thì turbine cánh quay được dùng với cột nước thấp hơn do khả năng chịu lực của
nó có yếu hơn. Cùng với turbine tâm trục, turbine cánh quay được sử dụng rất rộng rãi.
Ngày nay thế giới đã có những turbine cánh quay cực lớn, như ở TTĐ Xaratôp ở Nga có
đường kính tiêu chuẩn D1 = 10,3m, cột nước thiết kế H = 9,7m, với công suất N =
59,3MW, vòng quay định mức n = 50 vòng/phút, trọng lượng 1229tấn. Turbine ở trạm
TĐ Porto Primavera ở Brasil có D1 = 8,6m, N = 105MW, cột nước H = 22m.

12



I. 3. 3. Turbine cánh chéo

Hình 1-11. Turbine cánh chéo
Turbine cánh chéo (hình 1-11) được ra đời chậm hơn các loại turbine trên, nó là loại
trung gian giữa tâm trục và hướng trục. Nó kết hợp được các ưu điểm của hai hệ turbine
trên. Turbine cánh chéo được sử dụng ở các TTĐ có cột nước H = 30÷150m. Nó thuộc
loại turbine cánh quay. BXCT gồm 10 đến 14 cánh được gắn vào bầu 3 hình chóp nhờ
các trục cánh 2. Trục cánh làm với trục turbine một góc 300,450,600 nên dòng chảy trong
BXCT chéo góc với trục. Cũng như turbine cánh quay, các cánh BXCT quay được
quanh trục của nó, nhờ cơ cấu quay cánh gồm vành sao 5 và thanh truyền 4 nằm trong
bầu nên hiệu suất bình quân của nó cao hơn turbine tâm trục ở hầu hết các chế độ làm
việc. Mặt khác số cánh BXCT của turbine này nhiều hơn so với turbine cánh quay nên

có thể làm việc với cột nước cao hơn mà vẫn không bị khí thực. Loại turbine này đã
được chế tạo ở Nga dùng cho TTĐ Buctamin có công suất N = 77MW, cột nước H =
61m, đường kính D1 = 4,35m, n =150 vòng/phút.
Ngoài ra, TB cánh quay làm việc với cột nước thấp, muốn chịu được cột nước
cao hơn thì phải tăng số lượng cánh BXCT của nó lên từ 6 đến 10 cánh. Như vậy bầu
BXCT phải có đường kính lớn. Để có thể tăng số cánh mà không phải tăng đường kính
thì tốt hơn hết là trên mỗi trục cánh lắp hai cánh kép (hình1-12). Loại này đã được lắp
đặt ở nhà máy thủy điện Thác Bà với đường kính D1 = 4,5m, H = 32m.

13



Hình 1-12. Bánh xe công tác của turbine cánh kép
I. 3. 4. Turbine dòng
Turbine dòng gồm hai loại: dòng chảy thẳng và nửa thẳng. Turbine dòng thực
chất là turbine cánh quay trục ngang, nên BXCT của nó hoàn toàn giống turbine cánh
quay. Loại này dùng với cột nước rất thấp và lưu lượng rất lớn.
1. Turbine dòng nửa thẳng (hình 1-13), turbine này còn gọi là turbine Capxun.
Tổ máy có turbine trục ngang nối liền trục với trục máy phát điện đặt trong bọc kín
bằng kim loại 1 (gọi là cáp xun) có dạng thuận dòng. Cáp xun chứa máy phát điện có
thể nằm trước BXCT hoặc nằm sau BXCT trong ống hút thẳng 2. Các cánh hướng dòng
3 thuộc loại hướng tâm hoặc hình chóp. Stator thuộc loại và cùng với các trụ tựa sẽ
truyền tải trọng tổ máy lên móng máy. Liên hệ giữa các thiết bị đặt trong cáp xun với
gian máy bằng các tháp 4. Turbine cap xun có hiệu suất cao hơn so với turbine phản
kích khác đến 30% do khả năng tháo nước của nó. Turbine cap xun được sử dụng rộng
rãi ở Nga, Nhật, Mỹ... ở các sông vùng đồng bằng hoặc ở các TTĐ thủy triều. Trạm TĐ
Trereparec có công suất mỗi turbine N = 20MW, H = 14,9m. Trạm thuỷ điện có turbine
cáp xun lớn nhất là Kiev có N = 320MW.

14



Hình 1-13. Tổ máy cáp xun
2. Turbine dòng thẳng
Ở turbine dòng thẳng (hình 1-14), dòng nước theo buồng turbine hình trụ thẳng
đi qua Stator trước 1 vào bộ phận hướng dòng 2 và tác động vào BXCT 3 về hạ lưu theo
dòng thẳng. Rôtor máy phát điện 4 được gắn vào mút cánh TB, do vậy khi BXCT quay

Hình 1-14. Turbine dòng thẳng

15



thì cũng chính là rotor quay. Turbine dòng thẳng có cấu tạo phức tạp, đặc biệt là ở các
vòng đệm chống thấm vòng quanh mà hiệu suất không cao hơn turbine hướng trục bình
thường mấy, nên ít được sử dụng. Trạm thuỷ điện Ortatran ở Liên Xô cũ sử dụng
turbine này với công suất turbine N = 6,3MW, cột nước H = 10,5m.
I. 3. 5. Turbine thuận nghịch
Turbine thuận nghịch được dùng trong " tổ máy hai máy" ở các TTĐ tích năng,
có khả năng làm việc ở hai chế độ: bơm nước và phát điện. Tổ máy gồm có hai máy:
turbine thuận nghịch và máy điện ( "máy phát điện - động cơ điện") làm việc ở 2 chế độ
máy phát và động cơ. Tổ máy loại này thay cho các loại tổ máy làm việc ở các chế độ
riêng biệt không kinh tế hoặc " tổ máy ba máy ". Nguyên lý làm việc của turbine và máy
bơm trái ngược nhau, do vậy để làm việc ở một chế độ cụ thể phải chỉnh chiều quay
cánh thích hợp với từng chế độ làm việc. Sau đây là một ví dụ về turbine Capxun thuận
nghịch (hình 1-15). Turbine này gồm có các bộ phận chính sau: BXCT 1 là TB thuận
nghịch có khả năng thay đổi góc nghiêng cánh theo hai chế độ bơm hoặc turbine; cơ cấu

Hình 1-15. Turbine Capxun thuận nghịch
hướng dòng (CCHD) 2 dạng hình côn thay đổi phù hợp với chế độ bơm hay turnine;
"bóng đèn" (capxun) 4 kín nước, được gắn cố định vào bêtông nhà máy nhờ các cột 3.
Bên trong cápxun 4 bố trí trục tổ máy trên ổ tựa 6 và ổ chặn 7 và "máy phát - động cơ"
8. Giếng thông 5 được dùng để đặt cáp điện, đường ống dẫn dầu ..v.v...đến động cơ trợ
động của BXCT và lên xuống gian máy phía trên. BXCT thuận nghịch có đường kính
5,35m, bốn cánh quay xung quanh bầu với các góc từ -50 đến +350 so với vị trí tính
toán. Với công suất 10 MW lưu lựơng bơm được là 105 m3/s khi H = 6m và 225 m3/s
khi H = 1m; lưu lượng lớn nhất ở chế độ turnie là 230 m3/s . Vòng quay n = 97,75 v/p,
máy phát - động cơ đồng bộ, có điện áp 3,5 kV.

16



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
dụng của từng loại turbine. Chương II sẽ nghiên cứu cụ thể hơn về cấu tạo, công dụng
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 nước (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 bộ phận chính
sau đây: vòng bệ của turbine, cơ cấu hướng dòng, trục và ổ trục của turbine
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
truyền xuống móng nhà máy các tải trọng gồm trọng lượng toàn bộ tổ máy, sàn và bệ
máy phát điện, áp lực nước dọc trục tác dụng lên BXCT và khối bê 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 kiểu stator : kiểu cột đỡ riêng rẽ và kiểu vòng (a).
Phần lớn các turbine phản kích đều sử dụng kiểu vòng để tăng độ cứng, còn kiểu cột
riêng rẽ chỉ sử dụng 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 2-1,b và bảng (2-1) xác định kích thước vòng bệ (stator)

17



của turbine. Trong bảng: Da, Db là đường kính ngoài và trong của vòng bệ, b0 là chiêu
cao cánh hướng dòng (bảng 6-5 và 6-6 chương VI), Z0 là số lượng cánh hướng dòng.
Bảng 2-1. Bảng kích thước vòng bệ ( đơn vị cm)
D1

D0

180
200
225
250
280
320
360
400
450

500
550
600

220
240
275
290
325
375
420
465
525
580
640
700

Z0
cán
h
16
16
16
24
24
24
24
24
24
24

24
24

Cho buồng xoắn bê tông cốt thép
Db Da
D4 R
h1
h2

Cho buồng xoắn kim loại
Db Da
D4 R
H

340
382
437
485
542
610
675
745
875

260
285
320
330
372
426

480
532
600
660
730
800

390
438
500
500
620
700
777
855
935

400
448
510
570
630
710
780
805
945

28
30
30

35
35
40
40
50
50

32
35
40
40
45
45
50
50
55

23
25
30
30
35
45
40
40
45

305
335
375

390
438
500
555
615
695
765
845
925

330
360
400
415
463
535
590
650
735
805
885
965

20
20
20
25
25
30
35

35
40
40
50
50

21
23
23
25
25
32
35
41
41
46
46
50

II. 1. 2. Cơ cấu hướng dòng (CCHD):
Nước lần lượt từ buồng turbine 1 chảy vòng qua các cột stator 2, chảy qua khe
hở giữa 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 phận CCHD gồm có hai thành phần chính: các cánh hướng dòng hình lưu tuyến và
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 a0 của CCHD. Khi cánh
hướng nước đóng hoàn toàn a0 = 0, để giảm rò nước cần có đệm chống rò bằng cao su.

Bộ phận 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 a0 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. Điều chỉnh độ mở a0 theo
yêu cầu nhờ trục diều khiển 5 từ máy điều tốc quay kéo tay quay 6 và thanh kéo 7 làm
quay vòng điều chỉnh 8 tác thay đổi trục 4 làm cánh hướng 2 xoay quanh trục 10 của nó.

18



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
điện Trục turbine trục đứng bên trong rỗng để lắp các ống dẫn dầu (đối với cánh quay),
dẫn khí 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. Loại 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 Mkp = 97400.N/n ( kGcm).
Trong đó N (kW) và n (vòng/phút). Có Mkp tra ra đường kích trục turbine DB (mm).

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

19

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 thành 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
với trục quay của turbine.
- Tổn thất thủy lực trong buồng 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.
- Thuận tiện cho việc bố trí turbine và thiết bị phụ của nó trong gian máy của TTĐ.
- Áp lực tác dụng lên BXCT đều nhau để tránh mòn không đều ổ trục.
Dựa vào cột nước và công suất của TTĐ mà buồng turbine có các kiểu: 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 và đường
kính D1 < 1,2 m , giới hạn cột nước lớn nhất là 10 m và đường kính D1 = 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
nhật dễ tạo nên dòng xoáy ở các góc làm tăng tổn thất cột nước. Để khắc phục nhược
điểm này nên dùng buồng hở xoắn. Hình 2-4 thể hiện hình thức các loại buồng hở.
Chiều dài và chiều rộng của buồng lấy theo kinh nghiệm A = B = (3- 4).D1 , độ nhúng

20

tối thiểu của nắp TB so với mực nước nhỏ nhất trong buồng: hmin ≥ (0,9 -1)D1.
II. 2. 2. Buồng hình ống
Loại này thường dùng với cột nước H = 6÷7m đến 25÷30 m. Buồng này được
làm bằng kim loại chứa các bộ phận của turbine (hình 2-5): chóp nón hướng dòng 4 dẫn
nước vào thuận dòng, các cánh hướng dòng 1, BXCT đặt phía trong CCHD. Hình dạng
của buồng giống một nồi xúpde, nửa trước 5 nối với ống áp lực 7, nửa sau 2 chứa cụm
BXCT và nối với đoạn khuỷu cong 8 của ống xả 12. Trục turbine 11 ổ trục 10 đưa ra
ngoài buồng và đặt nằm ngang. Loại này dùng với turbine tâm trục trục ngang, loại
turbine nhỏ. Đường kính lớn nhất của buồng lấy theo đường kính tiêu chuẩ của BXCT
D1, khoảng (2,8 -3,5)D1 , chiều dài buồng khoảng (2,5 - 3)D1.

Hình 2-5.Buồng turbine hình ống
II. 2. 3. Buồng xoắn ốc
Buồng xoắn (hình 2-6) là loại được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Loại buồng
này bảo đảm dẫn nước vào TB với kích thước mặt bằng của turbine nhỏ và đảm bảo chế
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 được dùng với cột nước H ≤ 40 m, mặt cắt đa giác. Khi
H > 40 m thường dùng buồng xoắn kim loại hoặc bê tông cốt thép tiết diện tròn.
Phân loại buồng xoắn tùy thuộc vào góc bao max ϕ max của buồng xoắn , đây là góc
được tính từ tiết diện cửa ra (ϕr = 0) đến tiết diện cửa vào của buồng xoắn (ϕv = ϕ max).
Khi ϕ max = 3450÷3600 thì gọi là góc bao hoàn toàn (hình 2-7,a), còn ϕ max < 3450 gọi là
buồng xoắn không hoàn toàn ( hình 2-6,c ).

21

Kết quả thí nghiệm mô hình cho thấy, tổn thất năng lượng trong turbine, vòng bệ
và CCHD ( khi chiều rộng gian máy đã cho ) phụ thuộc vào quan hệ giữa tiết diện cửa
vào buồng xoắn đã chọn góc bao. Khi tiết diện cửa vào đã chọn, nếu tăng góc bao, một
mặt sẽ làm cho dòng chảy phân bố đều chu vi CCHD, bảo đảm được dòng chảy đối
xứng trong turbine, nhưng lại làm tăng vận tốc dòng nước trong phần xoắn và hình
thành dòng chảy xoáy, kết quả làm tăng tổn thất năng lượng trong CCHD. Qua thí
nghiệm mô hình BXCT đã chọn với các loại buồng xoắn khác nhau người ta lựa chọn
loại buồng xoắn lợi nhất .
Kinh nghiệm cho thấy, chiều rộng gian máy là nhỏ nhất khi buồng xoắn có góc
bao ϕ max = 180 0 .Vì vậy đối với TTĐ có cột nước thấp ( kiểu lòng sông ) để giảm thành
xây dựng TTĐ nên chọn góc bao 1800÷1920. Đối với TTĐ có cột nước trung bình và
cao do lưu lượng tương đối nhỏ, nêncó thể chọn góc bao lớn hơn: từ ϕmax = 2700÷3450 .
Với trạm thuỷ điện đường dẫn và sau đập chọn buồng xoắn góc bao lớn sẽ tiện cho việc
nối tiếp giữa đường ống áp lực với buồng xoắn.

Hình 2-6. Buồng xoắn
Khi cột nước H ≤ 80 m và góc bao ϕmax = 2700÷3450 có thể sử dụng buồng xoắn
tiết diện tròn hoặc chữ T. Buồng xoắn kim loại thường có góc bao ϕmax = 3450.
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, buồng có tiết diện hình thang bảo đảm kích thước mặt bằng của gian
tổ máy nhỏ nhất, còn tiết diện tròn sẽ lớn nhất và tỉ số chiều cao trên chiều rộng b/a của
tiết diện càng lớn thì mặt bằng gian máy càng nhỏ.

22

Tỉ lệ giữa chiều cao và chiều rộng của tiết diện hình chữ T (hình 2-7) nên chọn
theo cấu tạo của buồng xoắn, có thể chọn kiểu trần bằng, kiểu phát triển lên trên so với
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
điều 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
kết hợp và nếu động cơ tiếp lực đặt ngay trên nắp turbin mà không bố trí ở hầm turbine.
Các góc γ và δ không nên quá nhỏ, vì nếu lấy quá nhỏ thì điều kiện thủy lực
trong buồng sẽ kém và khó bố trí động cơ tiếp lực, nếu quá lớn thì tăng khoảng cách
trục tổ máy. Kiến nghị dùng như sau: δ = 20÷350 và thường lấy 300. Nói chung, khi
m ≤ n thì γ = 20÷350 còn khi m > n thì γ = 10÷200; khi n = 0, γ = 10÷150. Các giá trị
khác kiến nghị chọn như sau: khi m = 0 hoặc n = 0, b/a = 1,5÷1,85. Khi m và n ≠ 0 thì
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 tiết diện chữ T của buồng xoắn bê tông.
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 ta giả thiết:
- Dòng chảy trong buồng xoắn là dòng chảy dừng, đối xứng qua trục quay và là dòng
ϕi
thế; lưu lượng qua tiết diện bất kỳ Q i lấy theo góc ϕ i là: Q i = Q tt
;
360 0
- Dòng chảy được coi là tổng hợp của dòng chảy thẳng và dòng xoáy, đặc trưng bởi
lưu lượng Q và lưu số Γ = 2 π RV, giả thiết khi thay đổi chế độ làm việc thì Q và Γ thay

23

đổi sao cho các đường dòng trong buồng xoắn không đổi. Thành phần vận tốc hướng
Q tt
tâm Cr phân bố đều theo chu tuyến trước mép vào cánh hướng dòng: Cr =
;
π D a b0
(trong đó: Qtt là lưu lượng của turbine, Da là đường kính ngoài của cánh hướng dòng, b0
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 Vu.r = K; Phương pháp này dòng
chảy đối xứng qua trục, dòng có thế và bỏ qua tổn thất dòng chảy. Nó được áp dụng đối
với buồng xoắn có góc bao ϕ max = 180 − 360 0 , vì nếu góc nhỏ hơn thì điều kiện dòng
chảy sẽ không còn đối xứng qua trục. Phương pháp này khá chính xác và thuận về toán
học nên được áp dụng rộng rãi;
* Phương pháp tốc độ vòng là hằng số Vu = K; Phương pháp này giả thiết tốc độ
vòng bình quân ở các mặt cắt ngang buồng xoắn đều như nhau. Nó chưa đủ lập luận khi
thành lập vì nó có những thiếu sót sau:
+ Dòng chảy tính toán theo phương pháp này không hoàn toàn phù hợp thực tế;
+ Góc bao càng lớn thì càng không phù hợp.
Tuy nhiên qua nghiên cứu thấy đối với góc bao không đủ điều kiện xoắn thì phương
pháp này phù hợp hơn phương pháp Vu.r = K. Vì vậy phương pháp này dùng tốt cho
TTĐ có cột nước thấp, buồng xoắn bê tông góc bao nhỏ và giai đoạn thiết kế sơ bộ.
* Phương pháp tốc độ vòng giảm dần từ cửa vào Vu đến cửa ra từ (0,6÷0,8)Vu;
Phương pháp này có nhược điểm là tính đối xứng của dòng chảy bị phá hoại, nhưng
giảm nhỏ kích thước buồng xoắn. Vì vậy nó chỉ dùng với turbine cột nước thấp quá lớn.
Sau đây chúng ta nghiên cứu cách tính buồng xoắn theo hai phương pháp đầu.
1. Tính toán thuỷ lực mặt cắt buồng xoắn theo phương pháp Vu.r = K

Bước này được thực hiện sau khi đã chọn góc bao ϕ max và hình thức buồng
xoắn. Dựa vào nguyên tắc đã nêu ta đi thành lập công thức chung:
Gọi Q tt là lưu lượng lớn nhất qua mỗi turbine;
V tb là tốc độ trung bình trong mặt cắt buồng xoắn, xác định theo:
V tb = k H ( H = 2m thì k = 1; H = 300m thì k = 0,5) hoặc theo đồ thị (hình 2-9,a).
Với yêu cầu lưu lượng phân bố đều chu vi cơ cấu hướng dòng, vì vậy nếu gọi ϕ i là góc
ϕi
, diện tích mặt
nào đó ứng với tiết diện cần tìm thì lưu lượng qua nó là Q i = Q tt
360 0
Q tt . ϕ i
Q
; tương tự với ϕ max ta có:
cắt tương ứng là F i = i =
V tb 360 . V tb
Q tt . ϕ max
.
F max =
360 V tb
Nếu cắt một dãi bất kỳ có bề rộng dr, chiều đứng b thì diện tích phân tố dF = b.dr, vậy:

24



Ri

Qi =

Ri

∫ dQ = ∫ V u. b. dr ; vì

ra
Ri K

Qi = ∫

ra

r

Vu.r = K nên Vu = K/r, vậy ta có:

ra
Ri

Q
b
dr = tt ϕ i
360
ra r

b dr = K ∫

( 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:
mặt cắt tròn ( hoặc ellipsse) và buồng xoắn mặt cắt đa giác.

a. Tính toán buồng xoắn mặt cắt tròn (hoặc ellipsse):
Nội dung của việc tính toán buồng xoắn là vẽ ra được đường bao xoắn và xác
định mặt cắt ngang của buồng xoắn (hình 2-9,b), nghĩa là phải xác định ra được quan hệ
giữa góc ϕ i , bán kính Ri và diện tích mặt cắt ngang tương ứng Fi.
Ri b

Từ (2-1) đặt S i = ∫

ra r

dr , vậy Qi = K.Si và K = Qi/Si, vì K = hằng số nên K =

Gọi bán kính măt cắt cửa vào (ứng với ϕmax ) là ρmax =

Q max
S max

Q tt . ϕ max

,
V u . π . 360
Coi là tiết diện tròn nên ρi2 = ( bi/2 )2 + ( ri - a)2, rút ra bi và thay vào Si ta có Si và thay
vào (3-1) ta có góc :
720 . K. π
ϕi =
r a ÷ ρ − r a ( r a ÷ 2ρ) = c r a ÷ ρ − r a ( r a ÷ 2ρ )
Q tt
Trong công thức c = ( 720.K.π) / Qtt = hằng số. Giải phương trình ϕ i ta có được :

[

ρi =

ϕi

÷

] [

ϕi

]

(2-2)
c
c
Từ (2-2) nếu biết c mà định ra ϕ i ta sẽ tìm ra ρ i . Dựa vào điều kiện biên ở cửa vào, có:

2 ra

25