Xem mẫu
- CHƯƠNG 6: THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VÀ ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH TUABIN
6.1. Ý nghĩa và nhiệm vụ của thí nghiệm mô hình
Mặc dù các phương pháp tính toán thủy lực thường dùng hiện nay để thiết kế tuabin
không ngừng được bổ sung và hoàn thiện nhưng muốn thu được một cách đầy đủ các
đặc tính của tuabin phai thông qua thí nghiệm. Phương ơháp tính toán thủy lực theo lý
thuyết chỉ cho phép nghiên cứu và đề xuất ra một số phương án hình dạng phần nước
qua của các tuabin. Còn việc phân tích, so sánh và chọn phương án tối ưu trong số các
phương án nói trên chỉ thực hiện được trên cơ sở các kết quả số liệu của thí nghiệm mô
hình. Nhờ kết quả của các thí nghiệm này có thể chỉnh lí thành các đường đặc tính mô
hình, từ đó xây dựng thành các đường đặc tính khác của tuabin thực tế.
Thí nghiệm tuabin có thể được tiến hành trong phòng thí nghiệm hay ngoài hiện
trường. Thí nghiệm tuabin ở ngoài hiện trường tuy có thể phản ánh đúng tình hình làm
việc thực tế của tuabin nhưng chi phí thí nghiệm tốn kém và không thể nghiên cứu đầy
đủ các điều kiện làm việc có thể có của tuabin. Thí nghiệm mô hình chia ra hai loại: thí
nghiệm năng lượng và thí nghiệm khí thực. Thí nghiệm đầu dùng để xác định hiệu suất
của tuabin khi tuabin chưa bị khí thực, còn thí nghiệm sau dùng để xác định hệ số khí
thực của tuabin. Thiết bị thí nghiệm năng lượng thường được tiến hành với các mẫu có
đường kính D1M = 250(180) ÷ 400(800)mm còn thí nghiệm khí thực thì D1M bé hơn
D1M = 250 ÷ 350mm.
6.2. Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm
Hình 6.1: Sơ đồ nguyên lí thí nghiệm năng lượng của tuabin phản kích.
Hình 6.1 là sơ đồ nguyên lí giá thí nghiệm năng lượng. Sơ đồ này gồm có bể thượng
lưu 1, hạ lưu 2, bể chứa 3 và máy bơm 4. Mẫu thí nghiệm được lắp giữa hai bể nói
trên, ở đây cần đảm bảo các điều kiện tương tự về hình học của buồng tuabin và ống
- hút. Khi làm việc, nước từ bể 1 chảy qua tuabin vào bể hạ lưu 2, ở đây lưu lượng Q
được đo bằng đập tràn thành mỏng tam giác vuông 6. Sau khi qua khỏi đập tràn, nước
chảy về bể chứa 3 và từ đó nước được máy bơm bơm vào bể thượng lưu 1 theo một hệ
thống cấp nước tuần hoàn.Máng tràn 7 lắp trong bể 1 có tác dụng duy trì mức nước
trong bể 1 không thay đổi, lượng nước thừa ra trong bể này sẽ được tháo về bể chứa 3.
Lưới ổn định 7 có nhiệm vụ ổn định dòng nước trước khi chảy vào tuabin, còn lưới ổn
định 9 thì có tác dụng làm lặng nước để đo lưu lượng qua đập tràn thành mỏng mà
bằng phương pháp thể tích (thùng đong) sẽ bảo đảm đo lưu lượng với độ chính xác cao
hơn. Cột nước thí nghiệm ở giá này có thể thay đổi từ 2÷5m.
Khi làm thí nghiệm cần đo các đại lượng chính sau đây:
Lưu lượng Q chảy qua tuabin được xác định theo mchiều cao lớp nước trên đỉnh
của đập tràn tam giác vuông hQ. Biết trị số hQ có thể xác định lưu lượng Q theo các
công thức kinh nnghiệm sau đây:
Q=1,343hQ2,47,(l/s) (4-1)
Hoặc dùng công thức đơn giản hơn:
Q=1,4 hQ2,5,(l/s) (4-2)
Trong đó:hQ- chiều cao mlớp nước trên đỉnh đập(m).
Cột nước làm việc H được đo bằng ống đo áp 10 và 11. Như vậy cột nước h ở đây
đựoc tính bằng hiệu số cao trình mực nước trong bể 1 và 2 và bỏ qua tổn thất cột nước
tổn thất trong đường dẫn tính từ bể 1 đến cửa vào buồng tuabin. Nếu dẫn nước vào
tuabinbằng ống áp lực có chiều dài khá lớn thì phải tính thêm trị số tổn thất cột nước
trong đường dẫn nữa.
Số vòng quay n trên tuabin có thể đo bằng vòng quay kế(vg/ph) kiểu li tâm hoặc
máy đếm số vòng quay bằng điện.
Mô men xoắn trên trục tuabin được đo bằng bộ hãm kiểu ma sát hình (6.2).
Mô men xoắn M trên trục tuabin được xác định theo công thức sau:
M=P.l (4-3)
Trong đó:
P - trọng lượng quả cân(N);
l - cánh tay đòn của bộ hãm, bằng khoảng cách từ điểm đặt quả cân trục tuabin.
- Thí nghiệm được tiến hành với các trị số độ mở của bộ phận hướng nước ao. Độ mở
đó được tính bằng khoảng cách nhỏ nhất giữa hai cánh hướng nước kế tiếp nhau
(tuabin phản kích) hoặc số phần của hành tình lớn nhất của van kim(s) (đối với tuabin
gáo)(hình6.3).
Với mỗi độ mở ao cho tước, ta làm thí nghiệm với 6÷8 trị số phụ tải khác nhau (thay
đổi lực ma sát của má phanh bộ hãm).
Ta sẽ được 6÷8 điểm ứng với các trị số vòng quay n khác nhau. ỉng với các trị số
phụ tải đã chọn (trọng lượng quả cân), dùng các thiết bị đo lường kể trên có thể đo
được lưu lượng Q, số vòng quay trục tuabinn, và cột nước làm việc H (nếu trong suốt
quá trình thí ghiệm H không đổi thì không cần phải đo thông số này) rồi tính ra các
thông số quy dẫn theo các công thức (4-4) và (4-5).
Số vòng quay quy dẫn:
nD 1
n'I = =K1n (4-4)
H'
Lưu lượng quy dẫn:
Q
Q'I = =K2nQ (4-5)
D2I H
Hiệu suất tuabin:
N Mω P.lπn n
η= = = K3 (4-6)
N n γQH 30 γQH Q
Ở đây: N = M ω - công suất hữu ích của tuabin.
Nn = γ QH - công suất tiêu hao(công suất dòng nước).
D1 P.lπ
K1 = = cosnt; K3 = = const
H 30γH
Các số liệu đo được trong khi làm thí nghiệm và kết quả tính toán thường được
ghi thành các bảng biểu (bảng6.1).
Sau đây nghiên cứu các dạng đường đặc tính và cách vẽ dạng đường đó.
- Số liệu đo được Kết quả tính đổi
Số Số vòng Lưu Công CS
TT phụ Cột Lưu
vòng quay quy lượng suất tiêu
Hiệu
tải nước lượng quy dẫn suất
quay dẫn hữu ích hao
P H Q η%
n n' I
I
Q'I N Nn
1 P1 H Q1 n1 n ' I1 Q ' I1 Q1 N1 η1
2 P2 Không Q2 n2 n ' I2 Q'I2 Q2 N2 η2
3 P3 đổi Q3 n3 Q3 N3 η3
n ' I3 Q'I3
. .
. . . . . .
. . .
. . . . . . .
. . .
. . . . . .
. . .
m- Pm-1 Qm-1 nm-1 Qm-1 Nm-1 η m-1
1 . n ' Im −1 Q ' I m −1 .
Pm Qm nm Qm Nm ηm
m n ' Im Q' I m
6.3. Đường đặc tính tuabin
Các thông số làm việc của tuabin có thể biểu thị bởi một tương quan hàm số nhất
định. Chẳng hạn. đối với tuabin tâm trục và cánh quạt, quan hệ đó có thể biểu thị với
dạng tổng quát như sau:
⎧N = f1 ( D 1 , a o , H, n )
⎪
⎪Q = f 2 (D 1 , a o , H, n)
⎨
⎪η = f3 (D 1 , a o , H, n )
⎪⎩H s = f 4 (D 1 , a o , H, n )
Đối với tuabin cánh quay và chéo trục, quan hệ đó có dạng sau đây:
⎧N = f1 (D 1 , a o , ϕ , H, n)
⎪
⎪Q = f 2 (D 1 , a o , ϕ , H, n)
⎨
⎪η = f3 (D 1 , a o , ϕ , H, n)
⎪⎩H s = f 4 (D 1 , a o , ϕ , H, n)
Như vậy hệ tuabin trên có 4 biến số độc lập, còn hệ tuabin sau có 5 biến số độc
lập(thêm ϕ -góc đặt của cánh BXCT).Góc ϕ =0 ứng với chế độ tính toán của tuabin, từ
đó nếu cánh quay theo chiều kim đồng hồ thì ϕ >0, còn nếu theo chiều ngược kim
đồng hồ thì ϕ
- Các quan hệ cụ thể nói trên gọi là đặc tính tuabin và nó thường được biểu thị dưới
dạng đồ thị đường cong gọi là đường đặc tínhtuabin.
Tuỳ theo số biến số độc lập có trong mỗi quan hệ hàm số người ta chia ra hai loại
đường đặc tính: đường đặc tính tuyến tính và đường đặc tính tổng hợp.
6.3.1. Đường đặc tính tuyến tính
Đường cong chỉ sự liên hệ giữa hai thông số của tuabin, còn có các thông số khác
coi như không đổi, gọi là đường đặc tính tuyến tính của tuabin. Đối với tuabin điều
chỉnh đơn(tâm trục, cánh quạt) thì các thông soó khác không đổi gồm có 3 biến số, còn
đối với tuabin điều chỉnh kép(cánh quay,chéo trục) thì gồm 4 biến số.Các dạng cơ bản
của đường đặc tính tuyến tính của tuabin cho ở hình(6.5). Trong đó, hình(6.5a) là
đường đặc tính tuyến tính cột nước η , N = f(H) chỉ sự liên hệ giữa hiệu suất(hoặc công
suất) với cột nước làm việc của tuabin khi đường kính nước làm việc của tuabin khi
đường kính D1; độ mở a0 và số vòng quay n không đổi; hình(6.5b) là đường đặc tính
tuyến tính số vòng quay chỉ sự liên hệ giữa công suất(hiệu suất v.v....) với số vòng
quay khi D1, a0, H không đổi; hình(6.5c) là đường đặc tính tuyến tính lưu lượng η , N,
a0=f(Q) chịư liên hệ giữa hiệu suất (hoặcN, a0) với lưu lượng tuabin khi D1,n,H=const;
còn hình (6.5d) là đường đặc tính tuyến tính công suất(còn gọi là đường đặc tính công
tác ) chỉ sự liên hệ giữa hiệu suất, độ mở a0 và các thông số khác với công suất tuabin
khi D1, n, H=const.
Như vậy, tên của đường đặc tính tuyến tính được gọi theo tên của biến số độc lập,
chẳng hạn để dơn giản gọi đường η =f(H) là đường đặc tính cột nước(H là biến số độc
lập).
Các đường đặc tính tuyến tính có cấu tạo đơn giản và dễ thấy, nhưng chúng không
thể phản ánh đầy đủ tính chất của tuabin. Chẳng hạn dùng đường đặc tính η =f(N) ta
chỉ thấy được quan hệ giữa hiệu suất với công suất tuabin. Nếu muốn biết hiệu suất
thayđổi ra sao khi tuabin làm việc với các trị số cột nước H khác nhau thì ta phải có
một loại đường đặc tính tuyến tính nói trên được xây dựng với nhiều trị số cột nước H
khác nhau.
Muốn biểu thị đầy đủ tính chất của tuabin phải sử dụng đường đặc tính tổng hợp.
6.3.2. Đường đặc tính tổng hợp
- Đường cong chỉ sự liên hệ giữa các thông số riêng biệt của tuabin với hai biến số
độc lập gọi là đường đặc tính tổng hợp. Như vậy, muốn vẽ đường này cần cho trước
hai biến số độc lập (đối với tuabin điều chỉnh đơn). Trong thực tế tồn tại một số dạng
đường đặc tính tổng hợp sau đây: đường đặc tính tổng hợp chính và đường dặc tính
tổng hợp vận hành.
Phần 1 ta đã xét các đường đặc tính đơn, biểu thị quan hệ giữa từng cặp thông số với
nhau khi các thông số khác là hằng số. Trong thực tế sử dụng tuabin nước ở một chế
độ có rất nhiều thông số a, ϕ , H, Q, N, n, σ ... Vì vậy đường dặc tính đơn không thể
biểu thị quan hệ cùng một lúc của nhiều thông số nên trong tuabin nước thường sử
dụng rộng rãi đường đặc tính tổng hợp. Do là đường đặc tính cùng một lúc có hai loại
đường đặc tính tổng hợp
- Đường đặc tính tổng hợp chính.
- Đường đặc tính tổng hợp vận hành.
a. Đường đặc tính tổng hợp chính.
Đường đặc tính này biểu thị các quan hệ của hiệu suất, độ mở cánh hướng, hệ số
xâm thực, góc đặt cánh, đường giới hạn công suất trong đồ thị có trục toạ độ là các đại
lượng qui dẫn n1’, Q1’ khi D1=1m và h=1m. Hay nói cách khác đường đặc tính tổng
hợp chính (hoặc đường đặc tính mô hình) hiển thị quan hệ của các thông số:
- Đường đồng hiệu suất: η = f ( n1' , Q '1 )
- Đường đồng độ mở rộng: a 0 = f ( n 1' , Q '1 )
- Đường đồnghệ số xâm thực σ = f ( n 1' , Q '1 )
- Đường giới hạn công suất 5% tuabin tâm trục.
- Đường đồng góc đặt cánh đối với tuabin cánh quay.
H-6.6 - đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin tâm trục D1M = 460mm
H-6.7 - đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin cánh quay D1M = 460mm
H -6.7 - đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin gáo.
- Đường đặc tính này được xây dựng từ kết quả thực nghiệm tuabin mô hình trong
phòng thí nghiệm. Đặc tính này là lý lịch của tuabin mô hình và qua nó đánh giá khả
năng làm việc và chất lượng của tuabin mô hình. Nó là tài liệu gốc để chọn tuabin,
chọn chế độ làm việc cho tuabin thực trên trạm.
So sánh đặc tính tổng hợp chủ yếu của ba loại tuabin chúng ta thấy:Hình dáng của
chúng đại thể giống nhau nhưng phạm vi trên giấy toạ độ n 1' , Q '1 thì khác nhau, trị số
toạ độ n 1' , Q '1 của điểm hiệu suất cao nhất cũng khác nhau.
- Đường đặc tính của tuabin gáo bao gồm đường η và đường a0 (d0) không có đường
σ , đường đặc tính của tuabin xuyên tâm hướng trục bao gồm đường η , đường a0,
đường σ và đường ϕ không có đường hạn chế 5%N.
- Tuabin gáo có cột nước cao, lưu lượng nhỏ trị số toạ độ của điểm hiệu suất cao
nhất là nhỏ nhất vị trí toàn bộ đường đặc tính chiếm cũng rất nhỏ hình hẹp và dài.
Tuabin cánh quay có cột nước thấp, lưu lượng lớn nên trị số của điểm hiệu suất cao
nhất là lớn nhất. Vị trí toàn bộ đường đặc tính chiếm cũng lớn nhất, hình rổng và dẹt
còn của tuabin tâm trục ở giữa hai trường hợp đó (H-6-9).
b. Đường đặc tính tổng hợp vận hành.
Đường đặc tính tổng hợp vận hành là dường đặc tính tổng hợp của tabin thực làm
việc ở nhà máy thuỷ điện. Nó là đường biểu diễn các đường cong:
- Đường đồng hiệu suất η =f(N
- tính này giúp cho người vận hành xác định các chế đọ làm việc của tuabin, xác định
các thông số tại cac chế độ đang làm việc. Đường đặc tính này cho phép xác định khả
năng phát ra công suất của tuabin, giúp cho người làm việc ở bộ phận điều độ của lưới
điện phân phối phụ tải cho các tổ máy. Ngoài ra đường đặc tính vận hành còn là số liệu
quan trọng so sánh về năng lượng và khả năng chống xâm thực tuabin khi chọn loại
tuabin, đường kính và số vòng quay của tuabin.
Về hình dạng bề ngoài thì đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin tâm trục và
hướng trục là giống nhau nhưng phạm vi của H và N là khác nhau. H của tuabin tâm
trục tương đối lớn còn H của tuabin cánh quay tương đối nhỏ thêm nữa đường hạn chế
công suất của hai loại tuabin về tính chất cũng có khác nhau. Đường hạn chế N của
tuabin tâm trục chỉ đường hạn chế công suất 5%N, còn đường hạn chế công suất của
tuabin cánh quay là chỉ đường hạn chế công suất của độ mở lớn nhất cánh hướng nước
khi cột nướclà Htt.
6.4. Quan hệ giữa đường đặc tính thường dùng với loại tuabin.
6.4.1. Đường đặc tính tổng hợp chính
a. Đặc điểm:
Đường đặc tính của tuabin gáo bao gồm đường η và đường a0 khoong có đường σ ;
đường đặc tính của tuabin tâm trục, cánh quạt bao gồm đường η , đường a0, đường σ
và đường hạn chế 5%N; đường đặc tính của tuabin cánh quay bao gồm đường η ,
đường a0, đường σ và đường ϕ không có đường hạn chế 5%N.
b. Phạm vi: tuabin gáo có cột nước cao, lưu lưọng nhỏ cho nên trị số toạ độ của
điểm hiệu suất cao nhất. Vị trí toàn bộ đường đặc tính chiếm cũng rất nhỏ, hình hẹp và
dài. Tuabin cánh quay có cột nước thấp, Q lớn cho nên trị số toạ độ của điểm hiệu suất
cao nhất ( n 1' , Q '1 ) là lớn nhất. Vị trí toàn bộ đường đặc tính chiếm cũng lớn nhất hình
rộng và dẹt. Tuabin tâm trục ở giữa hai trường hợp đó.
6.4.2. Đường đặc tính công tác
Đường dặc tính công tác η =f(N) của tuabin thực dược tính đổi từ đường đặc tính
tổng hợp chính của tuabin mô hình. Khi hình thức tuabin khác nhau thì hình dạng
đường đặc tính công tác của chúng cũng khác nhau.
a- Kiểu gáo: Hiệu suất cao nhất của tuabin gáo tương đối thấp nhưng khu vực hiệu
suất cao tương đối rộng (hình 6.6a).
b- Kiểu tâm trục và cánh quạt: Đường đặc tính công tác của tuabin tâm trục có
đường hạn chế công suất 5%N (hình 6.6b). Khi Q tăng lên đồng thời lúc đầu hiệu suất
tăng lên rất nhanh sau đó bắt đầu hạ xuống. Khi N đạt tới Nmax thì Q đạt tới trị số nhất
định. Nếu Q tiếp tục tăng thì N giảm đi hình thành khu vực móc câu ở cuối đường đặc
tính công tác. Nguyên nhân là do ảnh hưởng của hiệu suất hạ thấp thắng được ảnh
hưởng của Q tăng lên. Rõ ràng là trong trường hợp này Q lớn hay nhỏ đều phát ra công
suất như nhau. Trong vận hành không nên để cho tuabin làm việc trong điều kiện lưu
lượng bất lợi. Phạm vi làm việc bất lợi đoạn cuối đường đặc tính chiếm khoảng
- 5%Nmax cho nên vẽ một đường ở khu vực móc câu cuối đường đặc tính công tác gọi là
đường hạn chế 5%N.
Đường dặc tính công tác của tuabin cánh quạt thì khu vực hiệu suất cao nhất rất hẹp
đoạn cuối cùng có khu vực móc câu nên thường vẽ đường hạn chế 3%N.
c- Kiểu cánh quay: Khi góc quay ϕ cố định, đường đặc tính công tác của tuabin cánh
quay giống như tuabin cánh quạt. Khi góc quay ϕ thay đổi đường đặc tính công tác của
tuabin cánh quay sẽ là đường bao ngoài của các góc quay. Khu vực hiệu suất cao nhất
của đường đặc tính công tác rất rộng. Chỉ khi góc quay ϕ và độ mở a0 rất lớn hay nói
cách khác là lưu lượng rất lớn thì N mới bắt đầu hạ xuống. Tuabin cánh quay thường
không cho phép vận hành trong trường hợp như vậy bởi vì bị hạn chế bởi điều kiện khí
thực, cho nên trên đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin cánh quay đều không vẽ
đường hạn chế công suất
d- Nhận xét: Ta thấy:
- ηmax của tuabin gáo thấp nhất
- ηmax của tuabin tâm trục cao nhất, tỷ tốc càng cao thì đỉnh đường biẻu diễn càng
bằng.
- Tuabin cánh quay vì cánh tuabin quay được cho nên khu vực hiệu suất cao tương
đối rộng còn kiểu cánh quạt thì không có ưu điểm đó.
- Điểm công suất lớn nhất của tất cả các đường không phải là chỗ hiệu suất cao nhất
nên thường cố gẳng sao cho turbi không phải làm việc trong trường hợp đầy tải.
6.4.3. Đường đặc tính tổng hợp vận hành
Đường đặc tính tổng hợp vận hành là đường đặc tính tổng hợp của tuabin thực làm
việc ở nhà máy thuỷ điện. Nó là đường biểu diễn đường cong
- Đường đồng hiệu suất η =f(N,H)
- Đường đồng chiều cao hút Hs = f(N,H)
- Đường giới hạn công suất theo máy phát & tuabin
Khi đường kính bánh xe công tác D1 và tốc độ quay n của tuabin là hằng số
trong hệ toạ độ N, H. Đường đặc tính này giúp cho người vận hành xác định các chế
độ làm việc của tuabin, xác định các thông số tại các chế độ làm việc. Đường đặc tính
này cho phép xác định khả năng phát ra công suất của tuabin, giúp cho người làm việc
ở bộ phận điều độ của lưới điện phân phối phụ tải cho các tổ máy. Ngoài ra đường đặc
tính vận hành còn là số liệu quan trọng so sánh vê năng lượng và khả năng chống xâm
thực tuabin khi chọn loại tuabin, đường kính và số vòng quay của tuabin
- 6.5. Xây dựng đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin đã chọn
Nội dung xây dựng đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin đã chọn bao gồm:
- Tính đổi đường quan hệ hiệu suất.
- Tính đổi đường hạn chế công suất.
- Tính đổi đường đồng độ cao hút Hs.
6.5.1. Tính đổi đường quan hệ hiệu suất.
a) Mục đích: Tính đổi đường η = f ( n1 , Q1 ) thành η = f (N ) và η = f ( N , H )
' '
b) Nguyên tắc:
Sử dụng công thức:
nD1
n1' =
H
3
N = 9,81Q1' D12 H 2η
D1T
η T max = 1 − (1 − η M max )5
D1M
Δη = η T max x − η M max
* Vẽ đường đặc tính công tác η = f (N ) từ đường đặc tính tổng hợp chính D1, n
của loại tuabin đã chọn tìm trị số hiệu chỉnh Δη.
+ Đối với tuabin ánh quay:
- Mỗi góc quay ử trên đường đặc tính tổng hợp chính của tuabin cánh quay có một
hiệu suất ηMmax do đó mỗi góc ϕ phải tìm được một Δηφ. Tính toán như bảng dưới đây.
φ ηMmax ΗTmax Δηφ
* Tìm trị số hiệu chỉnh số vòng quay dẫn suất Δn1'
η T max
- Nếu − 1 < 0,03 thì không cần hiệu chỉnh.
η M max
η T max ⎛ η ⎞
- Nếu − 1 > 0,03 thì Δn1' = n M' ⎜⎜ T max − 1⎟⎟ và n1' T = n1' M + Δn1'
η M max ⎝ η M max ⎠
Hoặc n1' M = n1' T − Δn1' .
* Tìm các trị số n1T' tương ứng với các trị số cột nước Hmax, H , Htt, Hmin, từ đó tìm
'
ra các trị số n1M tương ứng.
'
Từ các trị số n1M vẽ các đường nằm ngang cắt đường ηM của tuabin tâm trục và
tuabin gáo, đường góc quay ϕ của turrbin cánh quay ta được các trị số n1M
' '
, Q1M , ỗM
tương ứng.
* Tìm ỗT của tuabin thực:
- Tuabin tâm trục ηT = ηM + Δη
- Tuabin cánh quay ηT = ηM + Δηφ. ϕ khác nhau thì đường Δηφ khác nhau.
3
* Tìm NT = 9,81 Q1' D12 H 2η T . Qua tính toán có thể lập bảng.6.2 và bảng 6.3.
Bảng 6.2: Tính toán đối với tuabin tâm trục.
Hmax = H = Htt = Hmin =
Δη =
nD1
n1' T ( H )
=
max
H max
n1' M ( H max )
= n1' T − Δn1'
ηM Q1' ηT NT
(1) (2) (3) (4)
- Bảng 6.3: Tính toán đối với tuabin cánh quay.
Hmax = H = Htt = Hmin =
Góc
Hiệu Δη =
quay
chỉnh nD1
của
hiệu n1' T ( H max )
=
cánh H max
suất
tuabin
n1' M = n1' T − Δn1'
φ Δηφ ηM Q1' ηT NT
(1) (2) (3) (4) (5) (6)
Căn cứ vào cột (3) và (4) ở bảng 6.2 và cột (5) và (6) ở bảng 6.3 vẽ đường đặc tính
công tác η = f (N ) cho một trị số H (hình 6.12).
Hình 6.12: Đường đặc tính công tác của tuabin tâm trục
với nhãn hiệu PO75/702-B550, n=107,1v/ph
c) Vẽ đường đặc tính vận hành trên hệ toạ độ N, H.
Cắt các đường đặc tính công tác η = f(H) bằng một số đường ngang η = const cách
nhau khoảng 1%. Dời các điểm đó lên hệ tạo độ (N,H) và nối chúng lại thành đường
cong trơn ta được đường đồng hiệu suất η = f(N,H).
- Để xác định được vị trí điểm đỉnh
của mỗi đường hiệu suất bên dưới
đường đặc tính vận hành ta vẽ đường
bổ trợ ηmax = f(H) (hình 6.13). Từ
đường quan hệ đó có thể tìm được trị
số H nhỏ nhất phù hợp với điểm đỉnh
của mỗi đường η (đường H = const
tiếp xúc với đường η = const).
Hình 6.13: Đường cong bổ trợ ηmax = f(H)
6.5.2. Tính đổi đường hạn chế công suất.
Đường hạn chế công suất ABC chia ĐĐTTHVH ra hai phần: phía bên trái của
đường ABC là vùng làm việc, còn phía bên phaỉ - vùng không lamg việc. Đoạn thẳng
đứng AB tính từ cột nước tính toán Htt đến cột nước lớn nhất Hmax (điểm A), ở đoạn
này công suất của tuabin bị hạn chế bởi công suất định mức của máy phát điện đã
chọn. Chẳng hạn ở hình vẽ (hình 6.14) công suất lớn nhất của tuabin tương ứng với
công suất định mức của máy phát điện bằng 180000kW. Đường nghiêng BC, tính từ
Htt đến Hmin, công suất bị hạn chế bởi công suất của bản thân tuabin. Cột nước tương
ứng với điểm B là cột nước tính toán. Đó là cột nước nhỏ nhất để đảm bảo tuabin phát
đủ công suất định mức. Khi cột nước H < Htt thì vì hiệu suất giảm đột ngột nên công
suất tuabin giảm nhỏ. Khi cột nước tương đối lớn (H > Htt), tuabin có khả năng phát
được công suất tương đối lớn nhưng bị hạn chế bởi công suất giới hạn của máy phát
điện, hoặc xét theo quan điểm độ bền nó cũng có thể bị hạn chế bởi kích thước (không
đủ) của một bộ phận nào đó của tuabin.
Hình 6.14: Đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuabin.
- Đường hạn chế công suất phụ thuộc vào hệ tuabin, cách vẽ như sau:
Đối với tuabin tâm trục:
Đoạn nghiêng BC của đường hạn chế công suất được xác định theo đường đồng độ
mở tới hạn của bộ phận hướng nước aomax = const. Nói chung ở hệ tuabin tâm trục và
tuabin cánh quạt, đường aomax là đường hạn chế độ mở lớn nhất cho phép của tuabin.
Khi tuabin làm việc, độ mở ao của BPHN không thể vượt quá trị số aomax này. Do đó,
đường aomax = const ở các hệ tuabin nói trên sẽ trùng với đường dự trữ công suất 5% vẽ
trên Đ ĐTTHC của mẫu.
Như vậy toạ độ điểm B của đường nghiêng BC đã biết B(Htt, Ntt). Công việc còn lại
là tìm toạ độ điểm C. Muốn thế, ta tìm trị số công suất của tuabin ứng với H = Hmin.
Tính trị số (n 'IT )max = , và (n 'IM )max = (n 'IT )max − Δn 'I . Như vậy ta sẽ tìm được trị
nD 1
H max
số Q 'I (m3/s) (tại giao điểm của đường thẳng ngang (n 'IM )max = const với đường aomax
= const hoặc với đường dự trữ công suất 5%). Sau đó tính trị số công suất của tuabin
ứng với Hmin: N min = 9,81D 12 Q 'I H min H min η (kw). Nối hai điểm có toạ độ B(Htt, Ntt)
và C(Hmin, Nmin) ta được đoạn BC của đường hạn chế công suất của tuabin (hình 6.10).
Đối với tuabin cánh quay:
Cũng giống như tuabin tâm trục khi H > Htt đường hạn chế công suất là đường thẳng
góc do công suất của một máy phát điện quyết định còn khi H < Htt thì đường hạn chế
công suất của tuabin bị han chế bởi độ mở lớn nhất aomax và được được tiến hành theo
các bước sau:
+ Trên đường đặc tính vận hành η = f(N, H) từ điểm A (giao điểm của đường công
suất lớn nhất của máy phát điện và Htt) ta xác định được ηTA.
nD 1 N
Tính n 'IA = và Q 'IA = 3
H tt 9,81D 12 H tt 2 η TA
+ Trên đường đặc tính tổng hợp chủ yếu η = f (n 'I , Q 'I )
- Vẽ điểm A’( n 'IA , Q 'IA ) xác định được được aomaxcủa điểm A’.
- Xác định điểm B’ là giao điểm của đường n 'IH min
và aomax, xác định ϕM, Q 'IMB ,
ηMB.
+ Xác định điểm B trên đường η = f(N, H).
- Có ϕ 'B xác định được Δηϕ, ηTB = ηMB’ + Δηϕ.
3
N B = 9,81Q 'IB D 12 H min2 η TB
- Dịch điểm B (Hmin, NB) trên đường η = f(N, H)
+ Nối A-B ta được đường hạn chế của tuabin A-B.
- 6.5.3. Vẽ đường đồng chiều cao hút Hs.
a) Mục đích:
Tính đổi đường đồng hệ số khí thực σ = f (n 'I , Q 'I ) của đường đăcj tính tổng hợp
chính của mô hình thành đường đồng chiều cao hút Hs = f(N, H).
b) Nguyên tắc:
Sử dụng các công thức tương tự:
nD 1
n 'I =
H
3
N = 9,81Q 'I D 12 H 2 η
∇
H s = 10 − − (σ + Δσ )H
900
Các bước:
- Tính n 'IM tương ứng với các H đã cho
- Từ giao điểm của các đường thẳng ngang n 'IM = const trên đường đặc tính tổng
hợp chính với đường η = const (đối với tuabin tâm trục) hoặc với đường ϕ = const (đối
với tuabin cánh quay) ta xác định được σ và Q 'I của mỗi điểm.
- Lập bảng tính toán Hs = f(N) với H là thông số:
σ Q 'I N Δσ Hs
(1) (2) (3) (4) (5)
Căn cứ vào cột (3) và cột (5) vẽ đường Hs = f(N) tương ứng với các H.
4. Đường đặc tính tổng hợp vận hành.
Đường tổng hợp vận hành hoàn chỉnh phải bao gồm 3 loại đường sau đây:
Đường đồng hiệu suất η = f(N, H), đường đồng độ cao hút Hs = f(N, H) và đường
hạn chế công suất của tổ máy.
6.6. Các đường đặc tính của trạm thủy điện
Trong thực tế thường dùng các đường đặc tính của TTĐ sau đây: đường đặc tính
công tác tổ máy η = f(N); đường đặc tính công tác của nhóm tuabin và của nhóm tổ
máy (hay của TTĐ); đường đặc tính công tác công suất (hay lưu lượng) vận hành của
tuabin của nhóm tổ máy và của TTĐ; đường đặc tính tổng hợp vận hành của tổ máy và
của TTĐ.
- - Đường đặc tính công tác tổ máy ηtm = f(N) biểu thị sự liên hệ giữa hiệu suất tổ
máy và phụ tải tổ máy khi D1 = const, n = const và H = const. Đó là tổ hợp của hai
đường đặc tính công tác của tuabin và máy phát điện. Dạng và cách vẽ đường ηtm =
f(N) được trình bày trên hình vẽ:
- Đường đặc tính công tác nhóm
của tuabin (của nhóm tổ máy và của
TTĐ) là tập hợp các đường đặc tính
công tác của các tuabin (hay của các
tổ máy) cùng làm việc trong TTĐ. Vẽ
đường đặc tính công tác của nhóm n
tuabin (hay n tổ máy) bằng cách phân
hoành độ (trục N) cho 2, 3…n trong
khi vẫn giữ nguyên tung độ η của
chúng và nối các điểm tương ứng của
nhóm từng 2, 3…n tổ máy với nhau
(hình 6.15 )
Hình 6.15: Đường đặc tính công tác của tổ
máy
Hình 6.16 : Đường đặc tính công tác của TTĐ.
- Đường đặc tính cột nước của TTĐ:H = f(Q) thường được vẽ với các mức nước
thượng lưu không thay đổi.
- - Đường đặc tính công suất - lưu lượng của tuabin và của tổ máy là các đường
đặc tính công tác công suất Q =f(N) được vẽ cho từng trị số cột nước trong cùng một
đồ thị hình 6.16.
- Đường đặc tính công suất- lưu lượng của TTĐ: Biểu thị quan hệ giữa lưu lượng
và công suất khi TTĐ làm việc với số lượng tổ máy khác nhau ứng với trị số cột nước
và mực nước thượng lưu khác nhau (theo tổ hợp lợi nhất - có η có thể lớn nhất hình
6.17).
- Đường đặc tính tổng hợp vận hành
của TTĐ: Là tập hợp các đường cong
đồng hiệu suất lớn nhất của các tổ máy
khi chúng cùng làm việc với nhau trong
TTĐ. Vẽ đường đặc tính tổng hợp vận
hành của TTĐ bằng cách nhân hoành
độ, (công suât) của các đường cong
đồng hiệu suất (hay đồng chiều cao hút
Hs) của đường đặc tính tổng hợp vận
hành của một tổ máy lên 2, 3…n tổ máy
của TTĐ và nối các điểm cùng hiệu suất
Hình 6.17 : Đường đặc tính
Q = f(N) của tổ máy
(hay cùng Hs) của cùng một số lượng tổ máy. Cần chú ý là TTĐ làm việc với hiệu suất
cao nhất giữa các tổ máy cùng làm việc, do đó trong đường đặc tính tổng hợp vận hành
sẽ bỏ qua các đường đồng hiệu suất thấp hơn bị các đường đồng hiệu suất cao hơn cắt.
Tuy nhiên phạm vi làm việc của các tổ máy không thể vượt quá đường giới hạn công
suất 5% của mình nêu trong trường hợp khi công suất TTĐ vượt quá công suất của 1,
2, … tổ máy thì phải mở thêm tổ máy kế tiếp mặc dù có hiệu suất tốt hơn (hình 6.18).
- Hình 6.18: Đường đặc tính công suất - lưu lượng của TTĐ
Hình 6.19: Đường đặc tính tổng hợp vận hành của TTĐ
• Ví dụ: Vẽ đường biểu diễn đặc tính vận hành của tuabin phản kích.
Ví dụ 1: Vẽ đường biểu diễn đặc tính vận hành của tuabin xuyên tâm hướng trục
(tuabin tâm trục).
Tài liệu:
1. Hình thức tuabin: máy tuabin xuyên tâm hướng trục trục đứng, có buồng xoắn
ốc kim loại, ống hút cong, đoạn khuếch tán ống hút có mố chống ở giữa.
- 2. Công suất lớn nhất: N = 170000kW
3. Tốc độ quay định mức: n = 214,3vg/ph.
4. Đường kính tiêu chuẩn của BXCT của tuabin: D1 = 4,1m.
5. Số hiệu bánh xe công tác: PO638, đường biểu diễn đặc tính tổng hợp chủ yếu,
hình thức buòng xoắn và ống hút dùng khi thí nghiệm tuabin mô hình tương tự như khi
thực tế trạm thủy điện sử dụng.
6. Phạm vi đầu nước:
- Cột nước lớn nhất: Hmax = 160m;
- Cột nước nhỏ nhất Hmin = 130m;
- Cột nước bình quân: Hbq = 145m.
Yêu cầu:
1. Vẽ đường đặc tính công tác và đường đặc tính vận hành.
2. Vẽ đường hạn chế công suất tổ máy và xác định cột nước tính toán Htt.
3. Vẽ đường đẳng trị Hs.
Tính toán:
1. Hiệu chỉnh hiệu suất: hiệu chỉnh do đường kính bánh xe công tác của tuabin
mô hình và tuabin thực khác nhau, có thể dùng công thức của A.A.Nô-rô-dốp để tính
toán hoặc bằng mô-nô tính toán hiệu suất. Đường kính tuabin mô hình D1 = 0,46m,
hiệu suất cao nhất của nó ηMmax là 91%, đường kính tuabin thực D1T = 4,1m, thì hiệu
suất cao nhất của nó là:
D 1M
η T max = 1 − (1 − η M max ) = 1 − (1 − 0,91).0,694 = 0,94
D 1T
Do đó trị số hiệu chỉnh hiệu suất là;
Δη = ηTmax - ηMmax = 0,94 – 0,91 = 0,03
2. Trị số hiệu chỉnh tốc độ quay đơn vị Δn 'I .
η T max 0,94
Bởi vì −1 = − 1 = 0,015 < 3%
η M max 0,61
Cho nên, trị số hiệu chỉnh Δn 'I , ΔQ 'I của nó có thể không cần tính.
3. Phân đoạn cột nước: Phạm vi thay đổi cột nước là từ 130m đến 160m, phạm vi
dao động của n 'I tương ứng là từ 69,5 tới 77 vg/ph. Để bảo đảm vẽ đường đặc tính
tổng hợp vận hành được chính xác, ta cần chia phạm vi của n 'I thành 2 đoạn bằng
nhau, n 'I của nó phải là 69,5; 72,8 và 77,0; cột nước tương ứng của nó là 160m,
145m, 130m. Như vậy là đã bao gồm cột nước lớn nhất, nhỏ nhất và cột nước bình
quân.
4. Tính toán đường đặc tính công tác và đường đặc tính tổng hợp vận hành:
nguon tai.lieu . vn
