Đề tài Khảo sát các loại tuốc bin cánh dẫn và thiết kế tuốc bin hướng trục

mặt hiệu suất của tuốc bin phụ thuộc vào kích thước và hình dáng ống hút, mặc khác chiều cao hút cũng ảnh hưởng lớn đến khối lượng xây dựng phần dưới nước của nhà máy thuỷ điện, do đó ảnh hưởng đến giá thành xây dựng trạm thuỷ điện. Cho nên khi chọn ống hút cho mỗi một trường hợp tổ máy tuốc bin hướng trục, ta phải tiến hành tính toán kinh tế kỹ thuật, trong đó có tính đến chế độ làm việc của trạm thuỷ điện, đồ phụ tải, công suất của hệ thống và giá thành đầu tư của nhà máy với các phương án ống hút khác nhau. Phương án với ống hút nào có các chỉ số kinh tế, kỹ thuật tốt nhất sẽ là phương án được chọn. Vì tuốc bin thiết kế là tuốc bin hướng trục trục đứng cỡ nhỏ nên ta chọn ống hút chóp. Loại ống hút này có tổn thất nhỏ nhất nên hiệu suất cao có thể đạt tới 85% . Tổn thất năng lượng trong đó gồm tổn thất nội bộ và tổn thất động năng ở cửa ra của ống. Tổn thất nội bộ hnb có thể phân thành tổn thất dọc đường và tổn thất do mở rộng , tức là hnb = +. Theo thủy lực thì: trong đó: : hệ số ma sát l: chiều dài ống D: đường kính ống v: vận tốc dòng chảy trong ống Giả thiết vận tốc phân bố đều trong các tiết diện ống hút. Vì ống có dạng loe nên v và D thay đổi theo chiều dài l của ống, do đó tổn thất dọc đường bằng: trong đó: dx: chiều dài nguyên tố , D3 D 5 l x q/2 dx Hình 5-5 Sơ đồ xác định ống hút chóp Để tránh không khí chui vào ống làm mất tác dụng của hút của ống xả cần đảm bảo mép dưới ống hút ngập sâu cách mặt nước hạ lưu trong hầm xả ít nhất từ 0,3-0,5 m. 5.4.3.2. Các kiểu ống hút. Như trên ta đã thấy, việc chọn hình dạng và kích thước của ống hút là một việc khá phức tạp phải do cơ quan thiết kế trạm thủy điện phối hợp với cơ quan thiết kế tuốc bin cùng nhau quyết định. Chính vì vậy mà trong thực tế đã xuất hiện nhiều kiểu ống hút với hình dạng rất khác nhau. Sau đây là một số kiểu chính thường gặp. Ống hút trục thẳng : ống hút chóp (hình 1) và ống hút trục thẳng có tiết diện thay đổi dần (hình 12, hình 13). Ống hút loe : ống hút loe thẳng (hình 2) và ống hút loe kín (hình 3). Hình 5-6 Các kiểu ống hút. Ống hút loe lõi giữa (hình 4). Ống hút cong (hình 5, 6, 7). Ống hút khuỷu cho tuốc bin nhỏ trục ngang (hình 8, 9, 10, 11). 5.4.3.3. Các thông số cơ bản của ống hút tuốc bin thiết kế. Chiều cao hút Hs của tuốc bin là khoảng cách từ mép ra cao nhất của bánh công tác đến mực nước hạ lưu. Chiều cao hút được xác định theo công thức. . Trong đó : : là cao trình đặt bánh công tác tuốc bin, = 900 m. ks : hệ số dự trữ khí thực thường lấy ks = 1.1÷1.2. Htt : cột áp tính toán, Htt =3 m. s : là hệ số khí thực. Theo tính toán ở trên thì s = 0,683. Hs = 6,54 m. Theo tính toán ở trên. Xác định các kích thước của ống hút : L = (35).D3 = (35).0,15= 0.450.75m. Chọn L = 0,6 m D5= (tg130.0,6+0,075).2= 0,427 m. h1= (1,11,5).D3= (1,11,5).0,15= 0,1650,225 m. Chọn h1= 0,2 m. b= (11,2).D3= (11,2).0,15= 0,150,18 Chọn b= 0,16 m. Góc loe q của đoạn chóp chọn q = 100÷160. Chọn q = 130. Hình 5-7 Bản vẽ tổng thể tuốc bin hướng trục. VI. THIẾT KẾ TRỤC VÀ Ổ ĐỠ TRỤC. 6.1. Thiết kế trục. Trục tuốc bin làm bằng thép C45 có tiết diện tròn, phía trong rỗng để lắp thanh điều khiển và dùng để truyền chuyển động quay từ bánh công tác đến máy phát điện. Một đầu trục lắp chặt với bánh công tác. Trục tuốc bin có nhiệm vụ tiếp nhận và truyền mômen quay của bánh công tác đến rôto máy phát điện. Khi trục tuốc bin làm việc có thể xảy ra trường hợp nguy hiểm là lúc tuốc bin bị quay lồng khi phụ tải cắt đột ngột mà cách hướng dòng đóng lại không kịp khi đó số vòng quay của tuốc bin sẽ rất lớn. Do vậy khi thiết kế trục tuốc bin ta phải đảm bảo độ an toàn cho trục khi xảy ra trường hợp này hay nói cách khác ta tính trục cho trường hợp quay lồng. Do vậy ta chọn số vòng quay lồng của tuốc bin làm thông số thiết kế. 6.1.1. Chọn vật liệu chế tạo trục. Như đã phân tích ở trên ta thấy trục là chi tiết quan trọng của tuốc bin, có nhiệm vụ truyền mômen xoắn từ bánh công tác đến rôto của máy phát điện. Nên vật liệu dùng để chế tạo trục cần có độ bền cao, ít nhạy với tập trung ứng suất, có thể nhiệt luyện được và dễ gia công có nhiệm vụ truyền mômen xoắn từ bánh công tác đến rôto của máy phát điện. Trục có thể làm bằng thép cacbon hay thép hợp kim. Ở đây do trục tuốc bin chịu tải lớn nên ta chọn loại thép C45 nhiệt luyện để tăng độ cứng cho trục, chống mài mòn trục. 6.1.2. Các lực tác dụng lên trục tuốc bin. 6.1.2.1 Mục đích tính toán trục. Nhằm xác định các kích thước về đường kính, chiều dài trục ở các tiết diện nguy hiểm. Sau đó kiểm tra trục theo điều kiện bền Dưới tác dụng của mômen xoắn sinh ra khi bánh công tác quay, ta tính toán sơ bộ đường kính trục tại vị trí lắp bánh công tác các kích thước còn lại tùy thuộc vào điều kiện lắp ghép, cách bố trí. Xem trục tuốc bin trong điều kiện làm việc là trục chịu lực phức tạp. 6.1.2.2 Tính chọn đường kính trục. Mômen xoắn tác dụng lên trục khi tuốc bin làm việc. (N.m) (6.1). N : công suất có ích của tuốc bin đo trên trục (Kw). n : số vòng quay của trục n = 1500 v/ph. Công suất thuỷ lực tuốc bin. Ntl = (kW) (6.2). Tuốc bin làm việc với hiệu suất theo thiết kế : = 0,9. Công suất trên trục tuốc bin. N = h.Ntl = 0,9.1000.9,81.3.47.10-3 = 1,244889 kW (6.3). Mômen sinh ra trên trục. M = = 7,93 N.m. (6.4). M : là mômen tác dụng lên trục khi tuốc bin làm việc ở chế độ thiết kế. Xác định đường kính tại chỗ lắp bánh công tác : Xét trục lúc này chỉ chịu xoắn, dưới tác dụng của mômen xoắn, trong trục sinh ra ứng suất xoắn. (N/m2). Mx : mômen xoắn tác dụng lên trục (N.m). Wo : mômen chống xoắn của trục (m3). d : đường kính trục tại tiết diện nguy hiểm (m). d0 : đường kính lỗ trong trục (m). Theo điều kiện bền ứng suất sinh ra trong trục phải nhỏ hơn ứng suất cho phép. [tx] ( N/m2). Suy ra , (m3) (6.5). Chọn [tx] = 25.106 N/m2. Suy ra: m. d3 ³ (1,586.10-6+ d03 ) = 1,586.10-6 m. d ³ 0,012 m = 12 mm. Chọn đường kính là 15 mm. 6.1.2.3 Tính toán lực tác dụng lên trục. Trục chịu các lực : Lực nâng F (N). + Lực dọc trục FZ (N). + Lực vòng Fu (N). Trọng lượng bánh công tác (N). Trọng lượng trục (N). Trọng lượng khớp nối,và rôto máy phát (N). Sơ bộ ta tính lực dọc trục Fz theo công thức sau : Fz = k1. (N). k1: hệ số kinh nghiệm phụ thuộc vào số lượng cánh Z và góc đặt cánh φ, trong tính toán sơ bộ chọn k1 lớn nhất ứng với trường hợp góc đặt cánh φ bé nhất. Theo bảng X1-2 ta chọn k1=0,85. Suy ra : Fz = 0,85. = 0,045 T = 0,045.104 N. Lực vòng Fu được xác định theo công thức. N. Trong đó : r=m. rb : bán kính bầu tuốc bin (m). z : số lượng cánh bánh công tác. : vận tốc góc tuốc bin (rad/s). Lực nâng F tác dụng lên bánh công tác được xác định. N. Trọng lượng bánh công tác : N. Trong đó : K : là hệ số thống kê, tra bảng IX-5 chọn K = 0,4. (T) = 13,5 N. Trọng lượng của trục tuốc bin : Trục tuốc bin có tiết diện tròn và xem như làm bằng vật liệu đồng chất nên trọng lượng trục được tính theo công thức : (N). Trong đó : g : trọng lượng riêng của vật liệu làm trục, g = 78 kN/m3. L : chiều dài của trục, chọn L = 0,3 m. N. N. . N. Sơ đồ tính toán trục. Tuốc bin trục đứng chịu mômen xoắn do tác động của dòng nước khi qua bánh công tác, chịu kéo nén do trọng lượng bản thân, trọng lượng chi tiết lắp trên trục và lực nâng thuỷ lực do tác động của dòng chảy qua biên dạng cánh. Do tình trạng chịu lực phức tạp của trục như vậy để đơn giản trong việc tính toán ta bỏ qua ảnh hưởng của lực quán tính các chi tiết quay gây ra uốn. Ta coi trục như một thanh, xét thanh chịu lực phức tạp chịu kéo, nén, mômen xoắn đồng thời. Căn cứ vào tính toán sơ bộ trục, chổ đặt gối đỡ trục nhận lực ta chia trục ra hai đoạn để tính toán sức bền ta có sơ đồ như sau. Xét đoạn trục thứ nhất từ vị trí lắp bánh công tác đến ổ đỡ trục. 202,5 Ø 15 Hình 6-1a Sơ đồ tính toán trục Z1 Gt1 FZ Gb NZ1 1 1 Tại mặt cắt thứ 1-1 NZ1 = Gb + FZ+g.F1.Z1 = Gb + FZ+Gt1. Trong đó : Gt1 : Trọng lượng bản thân trục tại mặt cắt đang xét. Gt1 = 2,79 N. Gb = 1,34 N. FZ = 0,045.104 N. Suy ra : NZ1 = 2,79 + 0,045.104 + 1,34 = 454,13 N. Trục chịu kéo. 97,5 Ø 15 Xét đoạn trục thứ hai từ chổ lắp ổ đỡ trục đến hết trục. Hình 6-1b. Sơ đồ tính toán trục. Gt2 Nz2 Gkd 2 2 Tại mặt cắt thứ 2-2 : Z2 Vì ở cuối trục có nối với máy phát điện qua khớp nối nên lúc này trọng lượng tăng lên. Do ta chưa biết chính xác khối lượng của khớp nối và khối lượng rotor của máy phát điện nên ta lấy khối lượng của chúng bằng khối lượng của trục xét trong đoạn này. NZ2 = - g.F2.Z2 -Gkd = - (Gt2 +Gkd) = - (1,34 + 1,34) = -2,68 N. Trục chịu nén. Biểu đồ lực, ứng suất, mômen xoắn. s1== 0,643 MN/m2. 454,13 N s2 = = -3,79.10-3 MN/m2. 7,93 N -2,68 N 0,643 N -0,00379 N NZ1 s t Mx Hình 6-1c. Biểu đồ lực, ứng suất, mômen xoắn. Kiểm tra bền tại tiết diện nguy hiểm. Từ biểu đồ nội lực ta thấy tại tiết diện lắp baïnh cäng taïc chịu ứng suất lớn nhất. Vật liệu chế tạo trục là thép : [s] = 25 MN/m2. tmax = (MN/m2). W0 = = 4,42.10-5 m3. Với d = 0,015 m, d0 = 0 m, Mx = 7,93 N.m. tmax = = 0,178 MN/m2. std = = = 0,54 MN/m2. Với [s] = 25(MN/m2).Vậy trục đủ bền. 6.2. Thiết kế ổ . 6.2.1. Công dụng. Ổ trục dùng để đỡ các trục quay, giữ cho trục có vị trí xác định trong không gian, tiếp nhận tải trọng và truyền đến bộ máy. Ổ đỡ trục thường dùng có 2 loại. Ổ trượt. Ổ lăn. Việc chọn loại nào cho trục còn tùy thuộc vào điều kiện làm việc của trục như: vận tốc trục, yêu cầu chính xác về phương, trục có đường kính lớn, giá thành chế tạo ổ, thời gian sử dụng của ổ. Ở đây ta chọn ổ trượt vì lý do sau. Tốc độ trục tương đối cao, nếu dùng ổ lăn thì tuổi thọ thấp hơn. Kết cấu ổ trục đơn giản, dễ chế tạo, kích thước nhỏ gọn. Khả năng chịu được tải trọng va đập, làm việc êm. 6.2.2. Vấn đề ma sát và bôi trơn trong ổ trượt. Ma sát và bôi trơn có tác dụng quyết định đến khả năng làm việc của ổ trượt. Nếu công suất mất mát do ma sát quá lớn, nhiệt độ sinh ra nhiều có thể xảy ra hiện tượng dính ổ và ngõng trục. Mặt khác, do có sự trượt tương đối giữa ngõng trục và lót ổ, nếu bôi trơn không tốt, ngõng trục và lót ổ sẽ mòn nhanh. Do đó để đảm bảo ma sát cho trục cần phải bôi trơn ổ. Tùy theo điều kiện bôi trơn mà có các dạng : ma sát ướt, nửa ướt, nửa khô và ma sát khô. Ma sát ướt sinh ra khi bề mặt ngõng trục và ổ trượt được ngăn cách bởi một lớp bôi trơn có chiều dày lớn hơn tổng số mấp mô bề mặt. Nhờ có lớp dầu ngăn cách mà ngõng trục và lót ổ không trực tiếp tiếp xúc nhau do đó không bị mòn. Trong chế độ bôi trơn ma sát ướt, hoạt động tương đối giữa ngõng trục và lót ổ bị cản trở bởi nội ma sát của lớp bôi trơn. Hệ số ma sát ướt rất bé và nhỏ hơn ma sát lăn. Để thực hiện bôi trơn ma sát ướt người ta thực hiện các phương pháp sau : Bôi trơn thủy tĩnh là bơm vào ổ dầu có áp suất cao, đủ để có thể nâng ngõng trục. Phương pháp này đòi hỏi phải có thiết bị nén để tạo áp suất cao và dẫn dầu rất phức tạp. Bôi trơn thuỷ động là tạo những điều kiện nhất định để dầu theo ngõng trục vào khe hở, gây nên áp suất thuỷ động bằng với tải trọng ngoài. Phương pháp bôi trơn thủy động được dùng nhiều hơn. 6.2.3. Chọn vật liệu lót ổ. Chọn vật liệu lót ổ có ảnh hưởng quan trọng đến khả năng làm việc của ổ trượt, vật liệu lót ổ phải thoả mãn các điều kiện sau : Hệ số ma sát giữa lót ổ và ngõng trục thấp. Đủ sức bền. Có khả năng chống mòn và dính. Dẫn nhiệt tốt. Dễ tạo thành màng dầu bôi trơn. Hiện nay vật liệu lót ổ thường làm bằng kim loại thường dùng nhất là babít. Babít có tính chất giảm ma sát, giảm mài mòn và chống dính tốt. Nhiệt độ lớn nhất cho phép của ổ là 800C. Trên cơ sở đó ta chọn vật liệu lót ổ là hợp kim babít. 6.2.4. Cấu tạo ổ trượt. Chọn cấu tạo ổ trượt thường dựa vào các điều kiện chủ yếu sau đây: Cách chịu tải ( hướng tâm hay dọc trục). Vận tốc làm việc. Đặc tính thay đổi của tải trọng. Yêu cầu về điều chỉnh và lắp ghép. Công nghệ chế tạo. Ổ trượt thường gồm có thân ổ, lót ổ ngoài ra còn có bộ phận bôi trơn và bảo vệ. Theo cấu tạo ta có thể chia ổ trượt ra làm hai loại : ổ nguyên và ổ ghép. Ở đây ta chọn loại ổ ghép để dễ dàng thay thế và sửa chữa. 6.2.5. Tính toán ổ trượt. Khi thiết kế ổ đỡ cần chú ý đến các yếu tố trị số phương chiều, và đặt tính tải trọng, vận tốc, thời gian phục vụ điều kiện bôi trơn, tính công nghệ của ổ. Tổng các lực tác dụng lên ổ. (N). Gb = 1,34 N, F = 450,06 N, Gt = 4,13 N, Gkd = 1,34 N. k : hệ số xét đến các phần quay khác đặt trên trục, chọn k = 1,1. Ta có : N. Số vòng quay của ngõng trục n = 1500 v/ph. Để tính toán ổ trượt ta dùng phương pháp tính toán ổ trượt theo ma sát ướt, trình tự tính toán như sau : Chọn tỷ số : . Ta chọn 15 mm. l : Chiều dài ổ trượt.(mm). d : Đường kính ngõng trục. d = 15 (mm). Đối với ổ trượt chặn : Chọn vật liệu Babít theo tài liệu. Để đặc trưng cho sự sinh nhiệt và mài mòn ổ ta tính ổ theo tích số [pv]. Điều kiện pv £ [pv].(MN/m2).(m/s). trong đó : p : áp suất sinh ra trong ổ trục (N/m2). v : vận tốc dài trục (m/s). p = (N/m2) . A : diện tích bề mặt tựa của ngõng trục. A = (m2). d1 : đường kính gờ trục : 37,5 mm. d : đường kính ngõng trục 15 mm. A = = 3,974.10-4 m2. Suy ra : p = 8483643 N/m2. Tích số : p.v = 8483643.10-6.1,1775 = 9,99 (MN/m2).(m/s). Trong đó : v = m/s. Theo tài liệu tham khảo, ta có với vật liệu lót ổ là babít 83 thì tích. [pv] = 20 (MN/m2).(m/s). Từ điều kiện pv < [pv] ta so sánh thấy thoả mãn điều kiện trên. Chọn sơ bộ khe hở tương đối y = 0,002 Sau đó xác định khe hở : (mm). Do khi lắp ổ phải tạo ra khe hở tự do đủ nhét dầu, ta chọn kiểu lắp lỏng, ta chọn kiểu lắp ổ trượt với trục là kiểu lắp lỏng với cấp chính xác 7 theo hệ thống lỗ Ø có các sai lệch sau : Sai lệch lỗ cơ bản là Ø Sai lệch của trục là Ø. Từ đó ta xác định được khe hở trung bình: (mm). Trong đó : (mm). (mm). Thay vào trên ta có : (mm). Từ đó ta tính được độ hở tương đối : Xác định hệ số khả năng tải f của ổ. f được xác định bằng công thức sau : f = m : Độ nhớt động lực, m = 0,045 (Ns/m2). w : Vận tốc góc trục. (rad/s). y = 0,0112 w = = 157 (rad/s). p = 8483643 (MN/m2). Suy ra : f = = 150,6 Với : f = 150,6 Tra bảng 8-37 giáo trình thiết kế chi tiết máy, với tỉ số l/d= 1 ta có:  c = 0,95. c : độ lệch tương đối giữa ổ và trục. Tính chiều dày nhỏ nhất của lớp dầu trong ổ theo công thức: (mm). Kiểm nghiệm trị số hmin theo công thức : Trong đó : K: hệ số xét đến chế tạo và lắp ghép không chính xác, độ biến dạng đàn hồi của trục. Theo sách thiết kế chi tết máy ta chọn K= 2. Rz1, Rz2 : độ cao trung bình của các nhấp nhô bề mặt ngõng trục và lót ổ. Với trục có độ nhám Rz1 = 0,5.10-3 (mm). Với trục có độ nhám Rz2 = 0,8.10-3 (mm). (mm). Vậy hmin thoả mãn điều kiện. Kiểm tra nhiệt độ ổ : Trong quá trình làm việc do ma sát ổ bị nóng lên nếu nhiệt độ quá cao, độ nhớt giảm làm giảm khả năng bôi trơn ngược lại nếu nhiệt độ nhỏ quá thì tăng tổn thất do ma sát giữa ổ và trục. Mục đích tính toán là xác định nhiệt độ làm việc của ổ qua đó kiểm tra được trị số độ nhớt của dầu chọn thích hợp chưa, nếu nhiệt độ sinh ra lớn hơn nhiệt độ cho phép thì phải dùng biện pháp làm mát ổ, kiểm tra điều kiện hình thành màng dầu trong ổ, và xác định vị trí khoan lổ dầu bôi trơn. Tính toán nhiệt ổ trục dựa trên nguyên lý cơ bản của định luật cân bằng nhiệt lượng, nhiệt sinh ra cân bằng nhiệt thoát đi. W = W1 +W2 (kW) ( 6.6). Trong đó : W - nhiệt lượng sinh ra trong một đơn vị thời gian, W1 và W2 là nhiệt lượng thoát ra theo dầu, thoát ra qua thân ổ và trục ra môi trường xung quanh trong một đơn vị thời gian. (kW =kJ/s). Nhiệt lượng sinh ra trong ổ trong 1giây. W = (kW) . : Lực tác dụng lên ổ. (N). f : hệ số ma sát. : Vận tốc vòng. (m/s). Lượng nhiệt thoát ra theo dầu chảy qua ổ trong một giây. W1 = C. g .Q.Δt = C.γ.Q.(tra- tvào) (kW). Nhiệt lượng thoát qua thân ổ và trục trong một giây. (kW). Kt ≈ 0,04 ÷0,08 : hệ số tỏa nhiệt qua thân ổ và trục, kW/m3.0C. C  ≈ 1,7÷2,1 : nhiệt dung riêng của dầu (kJ/kg0C). Q : lưu lượng dầu chảy qua ổ (m3/s). g = 850 ÷ 900 (kg/m3) : khối lượng riêng của dầu. Kt = 0,04 ÷0,08 (Kw/m2.0C) : hệ số toả nhiệt qua thân và ổ chọn Kt = 0,06. d, l : đường kính, chiều dài ổ (m). : hiệu nhiệt độ vào, ra của dầu (0C). Thay W1, W2 vào (6.6) trên ta được. = (0C) Chọn dầu tuốc bin 46T nhiệt độ trung bình t = 500C ta xác định được độ nhớt m = 45 cP = 0,045 (Ns/m2). Với c = 0,95 và l/d = 1 theo đồ thị hình 8-44 [5] ta tìm được tỉ số f/y = 0,5. Suy ra hệ số ma sát f = 0,0112.0,5 = 5,6.10-3. Theo đồ thị hình 8-45 [5] ta tìm được. = 0,05. = 0,05.0,0112.157.0,015.0,0152 = 2,97.10-7 m3/s. Nhiệt lượng thoát theo dầu chảy qua ổ trong 1 giây. W1 = C.g.Q.t = 2.900.2,97.10-7.t = 5,346.10-4.t (kW). Chọn : C = 2 (KJ/kgoC). g = 900 (Kg/m2). Dt = tra-tvào. (0C). Nhiệt lượng thoát qua thân ổ và trục trong 1 giây. W2 = Kt.p.d.1. t = 0,06.3,14.0,015.0,015.t = 4,239.10-5.t (kW). Chọn Kt = 0,06 kw/m2.0C. Nhiệt lượng sinh ra trong ổ trong 1giây. W = = = 0,02223 kW. : Lực tác dụng lên ổ, = 3371,4 N. f : hệ số ma sát, f = 5,6.10-3. v : vận tốc vòng : (m/s). W = W1 +W2 0,02223 = 5,346.10-4.t +4,239.10-5.t (kW). = = 38,480C. Nhiệt độ trung bình của dầu được tính theo công thức : (0C). Nhiệt độ trung bình thường chọn trong khoảng t = 45 ÷ 750C, ta chọn nhiệt độ trung bình của dầu là 500C nên : . . Vậy với nhiệt độ này đảm bảo được điều kiện hình thành màng dầu trong ổ. VII. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THỦY LỰC BỘ ĐIỀU TỐC. 7.1. Nhiệm vụ của điều tốc tuốc bin. Trạm thủy điện là một xí nghiệp sản xuất và cung cấp điện năng, mà nhu cầu điện năng luôn thay đổi trong phạm vi rất rộng. Nếu không có biện pháp điều chỉnh công suất do tổ máy phát ra phù hợp với yêu cầu của lưới điện thì sẽ dẫn đến sự thay đổi tần số lưới điện quá giới hạn cho phép. Quy trình kỹ thuật vận hành quy định tần số không đổi, độ sai lệch tạm thời của tần số điện xoay chiều với giá trị định mức 50Hz không vượt quá0,2%. Bởi vì sự thay đổi tần số của lưới điện sẽ làm cho tốc độ quay của các động cơ điện thay đổi, làm cho máy móc của các hộ dùng điện không ổn định và có hiệu suất thấp. Đối với các quá trình sản xuất chính xác, sự thay đổi tần số sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng thành phẩm. Hơn nữa, đối với bản thân tổ máy tần số thay đổi có nghĩa là số vòng quay của tổ máy thay đổi, nên tổ máy có khả năng làm việc ở vùng có hiệu suất thấp, gây nên tổn thất và lãng phí năng lượng nhất định. Vì vậy để số vòng quay của tổ máy không đổi cần phải điều chỉnh tuốc bin. Để giữ cho số vòng quay của tổ máy biến đổi trong phạm vi cho phép khi phụ tải thay đổi, cần phải điều chỉnh mômen lực chuyển động cân bằng theo mômen lực cản bằng cách thay đổi lưu lượng Q, cột nước H hay hiệu suất h. Thay đổi hiệu suất h và cột nước H rất khó thực hiện về mặt kỹ thuật mà lại không hợp lý về mặt kinh tế. Vì vậy thông thường điều chỉnh mômen lực chuyển động bằng cách thay đổi lưu lượng Q đi qua tuốc bin nhờ các bộ phận điều chỉnh lưu lượng tuốc bin. Trong tuốc bin hướng trục bộ phận điều chỉnh lưu lượng là bộ phận hướng dòng có các cánh hướng dòng quay được. Vị trí của các cánh hướng dòng quyết định lưu lượng nước chảy vào tuốc bin, việc thay đổi độ mở của các cánh hướng dòng được thực hiện bằng tay hoặc tự động. Điều khiển bằng tay chỉ dùng ở các tuốc bin cực nhỏ, còn đối với tuốc bin cỡ vừa và lớn thường dùng các cơ cấu phụ trợ, xi lanh lực, để làm cơ cấu điều chỉnh các xi lanh lực này chịu sự điều khiển của máy điều tốc. Để đảm bảo chất lượng điện đưa lên lưới điện cũng như để đảm bảo yêu cầu dừng máy cấp tốc người ta phải tiến hành thao tác điều chỉnh tuốc bin một cách tự động, tức bộ phận điều chỉnh lưu lượng qua tuốc bin phải được thao tác bằng các xi lanh lực có lực thao tác lớn nhờ áp lực dầu từ các ống dẫn dầu có áp. Dầu áp lực này cung cấp từ thiết bị dầu áp lực và được điều khiển, khống chế thiết bị điều tốc. Ba bộ phận này hợp lại thành hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ quay của tuốc bin. 7.2. Phương trình điều chỉnh. Phương trình đặc trưng cơ bản cho sự chuyển động của rotor tổ máy: 7-1 trong đó: J: là momen quán tính của rotor tổ máy thủy lực : tốc độ góc của rotor tổ máy Md: momen lực chuyển động rotor tổ máy Mc: momen cản chuyển động rotor tổ máy t: thòi gian Từ phương trình trên ta thấy muốn giữ cho vòng quay tổ máy n không đổi hay vận tốc góc = const thì ,thì cần duy trì sự cân bằng giữa momen lực chuyển động và momen lực cản chuyển động hay Md = Mc. Momen cản phụ thuộc vào phụ tải máy phát điện Nmp còn momen chuyển động Md quyết định bởi công suất của tuốc bin Nt , giữa chúng có quan hệ sau: 7-2 Từ (7-2) ta thấy, sự cân bằng giữa Md và Mc chỉ có thể thực hiện được khi công suất máy phát luôn bằng công suất tuốc bin ở mọi thời điểm tức là Nt = Nmp Nếu phụ tải máy phát điện thay đổi mà công suất tuốc bin không đổi sẽ dẫn đến sự thay đổi số vòng quay tổ máy. Cũng từ công thức trên, có thể thay đổi công suất tuốc bin bằng cách thay đổi lưu lượng vào tuốc bin Q, thay đổi cột nước H hoặc thay đổi hiệu suất tuốc bin. Tuy nhiên, thay đổi cột nước và hiệu suất là điều không thực tế do đó chỉ còn việc thay đổi lưu lượng Q của tuốc bin là thực hiện được. Vì vậy điều chỉnh công suất tuốc bin thủy lực thực chất là điều chỉnh lưu lượng bằng cách xoay cơ cấu hướng dòng (CCHD). 7.3. Cấu tạo và đặc điểm của hệ thống điều chỉnh tuốc bin. Tuốc bin mà trong đó có xảy ra một quá trình điều chỉnh nào đó được gọi là đối tượng điều chỉnh. Đại lượng cần giữ ở một mức độ cho trước hoặc thay đổi theo một chương trình cho trước thì được gọi là thông số điều chỉnh. Hệ thống điều chỉnh tốc độ tuốc bin là tổng hợp các cơ cấu và thiết bị, các cơ cấu và thiết bị đó có nhiệm vụ cảm ứng sự thay đổi tốc độ quay của tổ máy và thay đổi vị trí tương ứng của cơ cấu điều chỉnh. Hệ thống điều tốc của tuốc bin gồm có các cơ cấu cơ bản sau đây : Cơ cấu cảm ứng (con lắc) hoặc chỉ huy cảm giác độ sai lệch tốc độ quay của tổ máy và thay đổi vị trí của cơ cấu điều chỉnh. Cơ cấu điều chỉnh là bộ phận trực tiếp thay đổi mômen lực chuyển động của tuốc bin. Cơ cấu chấp hành (khuếch đại), thực hiện sự liên hệ cần thiết giữa cơ cấu cảm ứng và cơ cấu điều chỉnh, chuyển dời cơ cấu điều chỉnh đến vị trí tương ứng với tín hiệu của cơ cấu cảm ứng. Cơ cấu thuộc loại này có xi lanh lực và ngăn kéo (van) phân phối điều khiển nó. Cơ cấu ổn định, tác dụng của nó là làm tăng tính ổn định và chất lượng quá trình điều chỉnh (cơ cấu cân bằng...). Cơ cấu phụ trợ : làm các động tác phụ như thay đổi chỉnh định máy điều tốc, hạn chế độ mở Con lắc ly tâm Tuốc bin Cơ cấu điều chỉnh Xi lanh lực Van điều phối Bộ phận đàn hồi Hình 7-1 Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh tuốc bin. Sự điều chỉnh tuốc bin nước cũng có nhiều điểm khác với sự điều chỉnh các loại động cơ khác. Một trong những đặc điểm đó là có một lượng nước khá lớn chảy qua cơ cấu điều chỉnh (lưu lượng các tuốc bin lớn đến hàng mấy trăm (m3/s) nên kích thước của cơ cấu điều chỉnh phải lớn. Ngoài ra do quán tính của dòng nước nên khi cơ cấu điều chỉnh chuyển động nhanh, thì trong cả hệ thống đường dẫn của tuốc bin có hiện tượng nước va làm thay đổi áp lực (cột nước) nước. Đó là sự khác biệt cơ bản. Cơ cấu điều chỉnh tuốc bin đòi hỏi cần có lực chuyển dời lớn. Để điều chỉnh cơ cấu hướng nước của các tuốc bin cỡ lớn, cần có lực hàng trăm tấn, còn để quay cánh tuốc bin thì phải hàng mấy nghìn tấn. Vì vậy giữa cơ cấu cảm ứng (có độ nhạy cao nhưng năng lượng bé) và cơ cấu điều chỉnh cần có thêm nhiều bộ khuếch đại thủy lực. 7.4. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ tuốc bin. Theo nguyên lý tác dụng, ta chia ra hai loại máy điều tốc : máy điều tốc tác động trực tiếp và máy điều tốc tác động gián tiếp. 7.4.1. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động trực tiếp. Trục quả lắc ly tâm cùng quay với trục máy phát điện qua bộ phận truyền động. Khi số vòng quay của máy phát điện thay đổi thì số vòng quay của hai quả lắc ly tâm cũng thay đổi. Khi phụ tải yêu cầu nhỏ hơn công suất tổ máy, năng lượng thừa được biến thành động năng làm tăng số vòng quay của tổ máy, số vòng quay của hai quả lắc ly tâm cũng tăng lên, do đó hai quả lắc ly tâm bị đẩy ra xa, kéo khớp A lên, đòn AOB quay quanh điểm tựa O ấn đầu B xuống thông qua hệ thống đòn kéo bộ phận điều chỉnh quay làm quay trục cánh hướng dòng theo chiều giảm độ mở a0 cánh hướng dòng, tức là giảm bớt lưu lượng qua tuốc bin đảm bảo cho công suất tuốc bin bằng công suất của máy phát điện. Hình 7-2 Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy điều tốc tác động trực tiếp. 1 : Quả lắc, 2 : Bộ phận truyền động, 3 : Khớp, 4: Đòn, 5: Bộ phận điều chỉnh. Khi phụ tải yêu cầu lớn hơn công suất tổ máy, năng lượng thiếu sẽ làm giảm bớt động năng nên số vòng quay tổ máy giảm, số vòng quay của hai quả lắc giảm xuống, đòn AOB quay quanh điểm O kéo đầu B lên thông qua hệ thống đòn kéo bộ phận điều chỉnh quay làm quay trục cánh hướng dòng theo chiều tăng độ mở a0 cánh hướng, tức là làm tăng lưu lượng qua tuốc bin làm tăng công suất tuốc bin để tăng công suất tổ máy. Máy điều tốc có tác động trực tiếp tuy có kết cấu đơn giản nhưng có một số khuyết điểm sau đây : Lực chuyển động để điều khiển thiết bị điều chỉnh bé nên chỉ dùng cho tuốc bin nhỏ. Sự khác nhau giữa số vòng quay ứng với phụ tải khác nhau tương đối lớn. Số vòng quay lớn nhất tương ứng với phụ tải nhỏ nhất, còn số vòng quay nhỏ nhất ứng với phụ tải lớn nhất (vì sau khi điều chỉnh số vòng quay bao giờ cũng khác với số vòng quay ban đầu). 7.4.2. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp. Để thay đổi độ mở các bộ phận điều chỉnh tuốc bin cỡ trung bình và lớn, đòi hỏi phải có một lực rất lớn, mạnh đến hàng nghìn KN (tương đương hàng trăm tấn) nên lực ly tâm do quả lắc sinh ra qua hệ thống đòn không đủ để điều khiển các bộ phận điều chỉnh được. Bởi vì, đối với các tuốc bin cỡ trung bình và lớn, và ngay cả đối với phần lớn các tuốc bin nhỏ, người ta dùng máy điều tốc tự động tác động trực tiếp. Giữa quả lắc ly tâm và bộ phận điều chỉnh lưu lượng là hệ thống khuếch đại tín hiệu, gồm van điều phối và xi lanh lực để tạo nên lực đóng mở các bộ phận điều chỉnh lưu lượng khá lớn. Để hệ thống điều chỉnh ổn định, trong máy điều tốc tác động gián tiếp còn có bộ phận phục hồi. Bộ phận phục hồi gồm có hai loại : phục hồi cứng và phục hồi mềm. Sau đây là sơ đồ nguyên lý làm việc của máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phục hồi cứng và mềm. 7.4.2.1. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phục hồi cứng. Máy điều tốc gồm có các bộ phận chính sau : quả lắc ly tâm (1), thanh đòn AOB, van điều phối (2), xi lanh lực (3) và thanh nối (4) nối liền điểm O và cần pistôn xi lanh lực. Khi tổ máy ở trạng thái ổn định, số vòng quay của tổ máy và quả lắc ly tâm sẽ không đổi. Khớp A cũng như đòn AOB ở vị trí cân bằng nên van điều phối ở vị trí giữa, còn piston của xi lanh lực chịu tác động cân bằng của áp lực dầu trong hệ thống điều chỉnh sẽ đứng nguyên và không di động. Khi phụ tải giảm xuống thì số vòng quay của tổ máy sẽ tăng lên, làm số vòng quay của quả lắc cũng tăng theo và kéo khớp A chuyển lên trên, đòn AOB quay quanh điểm tựa O sẽ ấn đầu B xuống và đẩy van điều phối di chuyển xuống phía dưới làm mở cửa van cho dầu áp lực đi vào phần bên phải của xi lanh lực. Dưới áp lực của dầu, piston sẽ dịch chuyển về bên trái, về phía đóng bớt độ mở cánh hướng dòng. Còn ở phía bên trái piston không có áp lực dầu sẽ bị đẩy ra ngoài theo ống dẫn dầu đến van điều phối và qua cửa sổ trên về đường tháo dầu để đến bể chứa dầu của máy điều tốc. Khi đó, độ mở của bộ phận hướng dòng bị đóng bớt lại, lưu lượng qua tuốc bin sẽ giảm đến một trị số tương ứng với chế độ làm việc mới của tổ máy. Khi piston chuyển động về phía bên trái, do tác động của thanh nối (4), điểm O của đòn AOB chuyển dịch lên phía trên đẩy điểm B cùng van điều phối về vị trí giữa như cũ. Khi quá trình điều chỉnh kết thúc, số vòng quay của tổ máy lớn hơn trước khi điều chỉnh một ít. Hình 7-3 Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phục hồi cứng. 1 : Cơ cấu quả văng, 2 : Van điều phối, 3 : Piston xi lanh lực, 4 : Thanh nối Với cơ cấu máy điều tốc như trên, số vòng quay của tổ máy phụ thuộc vào công suất tuốc bin. Do đó loại điều chỉnh này còn gọi là điều chỉnh có sai số. 7.4.2.2. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phục hồi mềm. Hình 7-4 Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phục hồi mềm. Quá trình làm việc của nó trong trường hợp giảm bớt phụ tải từ khi số vòng quay của quả lắc ly tâm tăng lên cho đến khi điểm O bị bộ phận phục hồi đẩy lên phía trên để đưa piston của van điều phối trở về vị trí giữa, hoàn toàn giống máy điều tốc có bộ phận phục hồi cứng. Ở máy điều tốc có bộ phận phục hồi mềm khi điểm tựa O bị đẩy lên cùng với bộ phận phục hồi mềm sẽ nén lò xo (6) lại. Sở dĩ như thế là vì quá trình xảy ra rất nhanh, nên dầu ở phần dưới không kịp chui qua các lỗ nhỏ để sang phần trên đĩa piston của bình hoãn xung (4). Do đó, khi piston của xi lanh lực dịch chuyển về bên trái, piston (4) cùng xy lanh (5) cũng bị đẩy lên phía trên nâng điểm O lên để đưa piston của van điều phối trở về vị trí ban đầu, vị trí ở giữa (tức là khi các cửa sổ bị đóng lại). Nhưng sau đó dưới tác dụng của lực do lò xo bị nén, dầu ở phía dưới piston sẽ theo các lỗ nhỏ li ti ở đĩa đi lên phần trên và đĩa piston từ từ hạ xuống cho đến khi điểm O và do đó cả cần AOB trở về vị trí ban đầu. Vì vậy, sau khi điều chỉnh, số vòng quay tổ máy sẽ trở về với số vòng quay ban đầu (bằng số vòng quay định mức). Hệ thống điều chỉnh này gọi là hệ thống điều chỉnh không sai số. Quá trình làm việc của máy điều tốc này khi phụ tải tăng, tức là khi số vòng quay nhỏ hơn trị số ban đầu, xảy ra tương tự như quá trình làm việc khi phụ tải giảm nhưng theo chiều ngược lại. Qua việc phân tích nguyên lý làm việc như trên ta thấy sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phục hồi cứng có khuyết điểm là số vòng quay sau khi điều chỉnh khác với số vòng quay ban đầu . Máy điều tốc có bộ phận phục hồi mềm sẽ tránh được khuyết điểm này, nó có thể đảm bảo số vòng quay của tổ máy không đổi sau khi quá trình điều chỉnh đã hoàn thành. 7.4.2.3. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc của tuốc bin cánh quay. Sự điều chỉnh kép ở tuốc bin cánh quay có tác dụng điều chỉnh số vòng quay và duy trì sự liên hệ giữa độ mở cánh hướng dòng và quay cánh bánh công tác nhằm đạt được hiệu suất cao. Khi phụ tải thay đổi máy điều tốc sẽ đồng thời dịch chuyển các bộ phận điều chỉnh độ mở bộ phận hướng dòng và góc đặc φ của bánh công tác. Khi phụ tải giảm, xi lanh lực của bộ phận hướng dòng 10 sẽ dịch chuyển sang trái để đóng bộ phận hướng dòng, vì piston của xi lanh lực này có liên hệ với đòn 9 nên nêm 6 của của bộ phận liên hợp sẽ dịch chuyển sang bên phải đẩy ròng rọc của đòn 5 lên trên làm cho van trượt 4 của bánh công tác dịch xuống cho dầu có áp đi vào ngăn trên của xi lanh lực 8 của bánh công tác và đẩy piston của nó đi xuống để quay cánh bánh công tác về phía đóng. Khi đó bộ phận liên hệ ngược thanh 7 của xi lanh lực sẽ đảm bảo sự liên hệ đơn trị giữa vị trí nêm liên hợp và độ quay các cánh bánh công tác. Khi tăng phụ tải sự dịch chuyển các cơ cấu điều chỉnh sẽ có hướng ngược lại, (hình 7-5). Hình 7-5 Vẽ sơ đồ nguyên lý máy điều tốc của tuốc bin cánh quay. 1 : Cánh bánh công tác, 2 : Bầu bánh công tác, 3 : Cánh hướng dòng, 4 : Van điều phối điều khiển cánh bánh công tác, 5 : Đòn điều khiển BCT, 6 : nêm, 7 : Thanh, 8 :Xi lanh lực điều khiển quay cánh BCT, 9 : Đòn điều khiển BCT, 10 :Xi lanh lực điều khiển bánh BHD, 11 : Van điều phối điều khiển BHD, 12 : Bình hoãn xung, 13 : lò xo, 14 : Cơ cấu quả văng, 15 : Bộ truyền động, 16 : Bơm, 17 : Van an toàn, 18 : Van một chiều, 19 : Nồi dầu áp lực, 20 : Van an toàn, 21 : Bể chứa dầu. 7.5. Chọn sơ đồ nguyên lý máy điều tốc cho tuốc bin thiết kế. Qua sự phân tích trên và vì tuốc bin thiết kế là tuốc bin hướng trục điều chỉnh quay cánh hướng dòng nên ta chọn sơ đồ nguyên lý làm việc của máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phục hồi cứng. Hình 7-6 Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy điều tốc tác động trực tiếp. 1 : Cơ cấu quả văng, 2 : Van điều phối, 3 : Piston xi lanh lực, 4 : Thanh nối 7.6. Thiết kế cơ cấu quay bánh hướng dòng. 7.6.1.Tính toán lực và mômen thuỷ động tác dụng lên bộ phận hướng dòng. 7.6.1.1. Mục đích tính toán. Tính toán lực và mômen thủy động nhằm xác định các kích thước cơ bản của trục cánh như đường kính trục cánh, chiều dài cánh và xác định điều kiện bền cánh. 7.6.1.2.Tính toán lực và mômen thủy động tác dụng lên cánh. Dòng chảy qua cánh hướng dòng dụng lên cánh một lực thuỷ động, lực này thay đổi tùy theo độ mở của cánh. Trị số của lực này phụ thuộc vào kích thước hình dạng cánh, cột nước và độ mở a0. Khi đóng hoàn toàn cánh hướng dòng lúc này áp lực tác dụng lên cánh là áp lực thủy tĩnh và đạt trị số lớn nhất. Để đảm bảo điều kiện làm việc đủ bền ta chọn điều kiện làm việc của cánh lúc chịu tải trọng lớn nhất để tính tức là lúc đóng hoàn toán cánh hướng dòng. Để đơn giản trong việc tính toán áp lực tác dụng lên cánh là áp lực thủy tĩnh. Áp lực thủy tĩnh tác dụng lên cánh : Ft = g.H.L0.b0 (7.3) Ft : Áp lực thủy tĩnh tác dụng lên cánh (N). : Trọng lượng riêng của nước = 9,81.103 N/m3. H : Cột áp tính toán. H = 3m. L0 : Khoảng cánh giữa hai điểm tiếp xúc của cánh. L0 = 0,035m. b0 : chiều cao của cánh hướng dòng b0 = 0,0675m. Trong công thức trên ta chỉ xét. Cánh chịu lực ổn định, chịu tải trọng tĩnh. Nếu xét thời gian vừa đóng cánh ta cần xét đến độ tăng áp lực thủy động do nước va đập gây ra. Mà việc xác định chính xác độ tăng này rất phức tạp do vậy để đơn giản trong tính toán ta tính cánh với áp lực thủy tĩnh bằng công thức toán trên sau đó ta chọn hệ số an toàn để tăng bền cho cánh. Fd = s. Ft (N) (7.4) Trong đó: Fd : Áp lực tác dụng lên cánh có tính đến độ tăng cột áp. s : Hệ số tăng bền cho cánh. Thay các giá trị đã có và vừa tìm được vào công thức (7.3) ta được. Ft = 9,81. 103 . 3. 0,035. 0,0675 = 69,53 N. Mômen tác dụng lên cánh. Mo = Ft. ro (N.m) (7.5) Với: r0 = e0 = n0. L0 : bán kính của điểm đặc lực tổng hợp so với tâm quay. e0 : độ lệch tâm của lực thủy động Fd so với trục quay của cánh hướng dòng, chọn n0 = 0,05, nên r0 = e0 = n0. L0= 0,05.0,035 = 1,75.10-3 m. Từ đó: M0 = Ft.r0 = 69,53.1,75.10-3 = 0,1217 N.m. Chọn hệ số an toàn cánh : s = 1,25. Fd = d.Ft = 1,25. 69,53 = 86,913 N. Md = d.M0 = 1,25. 0,1217 = 0,152 N.m. ` Hình 7-6 Sơ đồ tính toán lực cánh hướng dòng. 7.7. Chọn kích thước trục cánh và tính bền trục cánh. Mômen xoắn tác dụng lên trục cánh hướng dòng gây nên ứng xuất xoắn. tx = (N/m2). Wo : mômen chống xoắn của mặt cắt trục với tiết diện tròn. Wo = 0,2.d3 (m3). Theo điều kiện bền ứng suất sinh ra trong trục tx phải nhỏ hơn hoặc bằng ứng suất cho phép [ tx] của vật liệu chế tạo trục. Vật liệu chế tạo trục là thép 45 chọn [tx] = 20.106 N/m2. tx= [tx] (N/m2). Suy ra : d =3,36.10-3 (m). Chọn d = 4 mm. Trục cánh và profin cánh chế tạo liền. Căn cứ vào điều kiện lắp ráp và định vị trục cánh lắp trên vỏ tuốc bin và trên vành chính của lưu lượng. 4 Cánh Trục cánh Hình 7-7 Kết cấu trục cánh. 7.8. Các kích thước còn lại. Chọn theo điều kiện lắp ráp định vị trục cánh dựa vào kết cấu của bộ phận hướng dòng của tuốc bin mẫu. Ta suy ra các kích thước của tuốc bin thiết kế theo tiêu chuẩn đồng dạng về hình học. Hình 7-8 1 : Cánh, 2 : Tay quay, 3 : Thanh truyền. Dựa vào kết cấu của bộ phận hướng dòng của tuốc bin đồng dạng. Ta suy ra các kích thước của tuốc bin thiết kế theo tiêu chuẩn đồng dạng về hình học. Ta có : AB = 1,8 cm. AC = 2,6 cm. BC = 2,05 cm. Góc A = 440. Góc C = 430. 7.9. Tính lực cần thiết để quay vành điều chỉnh. Như đã tính toán ở phần thuỷ động lực tác dụng lên cánh hướng dòng. Khi tính toán lực và mômen thuỷ động tác dụng lên cánh hướng dòng ta chỉ xét cánh chịu áp lực thủy tĩnh bỏ qua phần áp lực do sự va đập thủy lực gây ra khi đóng mở đột ngột cánh hướng dòng. Ft = g.H.L0.b0. (N). Kết quả lực Ft theo tính toán ở trên ta có : Ft = 69,53 N. Ft : Áp lực thủy tĩnh tác dụng lên cánh. Để cánh đủ bền trong mọi trường hợp ta cần lấy hệ số an toàn cho cánh khi tính toán bền khoảng 25%Ft. Fd = 1,25.Ft = 1,25 . 69,53 = 86,913 (N). Mômen tác dụng lên cánh khi xét đến trường hợp nguy hiểm. Md = d.M0 = 1,25. 0,1217 = 0,152 (N.m). Md : là mô men tác dụng lên cánh do áp lực nước gây ra có xét đến áp lực thủy động. Hay nói cách khác là vành điều chỉnh thông qua cơ cấu tay quay cần phải tạo ra một mômen lớn hơn hoặc bằng Md để mở cánh hướng dòng. Phân tích lực tác dụng lên các khâu. Hình 7-9 Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên các khâu. Ta xem chúng là khâu thẳng và bỏ qua ma sát trong các khớp tiến hành tách khớp tại B đặt phản lực lên các khâu. Với : L1 = 28 mm, L2 = 30 mm, L3 = 35 mm, R0 = 50 mm. Ta có : F5 = (N). Gọi b theo tính toán b = 50 F2 = F5 .cosb = 5,43.cos50 = 5,41 N. Dời lực F1 về tâm C ta có một lực và ngẫu Mc. Ở trên lực F3 chỉ xét cho một cách. Để tổng quát ta xét cho 18 cánh lúc này lực tổng hợp tác dụng lên vành điều khiển. SF3 = F3.18 SF3 = 43,73.18 = 787,14 N. Các lực tác dụng lên cánh tạo một mômen M0 đối với tâm của vành điều chỉnh. M0 = SF3.(L3+R0). M0 = = 66,91 N.m. SF3 ,M0 : là lực và mômen cần thiết để quay vành điều chỉnh. Vậy để tạo ra M0 thì cơ cấu dẫn động (xi lanh lực) phải tạo ra một mômen (hay một lực). Gọi lực do xi lanh lực tạo ra là . Từ đó được tính theo công thức sau : = (N). Với : OO1+O1O2 = 32+262 = 294 mm. M0 = 66,91 N.m. Suy ra : = = 257,6 N. 262 32 6 7 5 4 3 Để quay được bánh hướng dòng thì xi lanh lực phải tạo ra một lực ≥ 257,6 (N). 2 1 Hình 7-10 Sơ đồ lực tác dụng lên vành điều khiển. 7.10. Chọn xi lanh lực. Thông số chủ yếu để chọn xi lanh lực là lực đẩy cần thiết để đóng mở bộ phận điều khiển lưu lượng. Lực đẩy này do ba yếu tố quy định. Mômen thủy động của dòng nước tác động lên cánh của bộ phận hướng dòng. Lực ma sát các bộ phận điều chỉnh lưu lượng. Lực dự trữ cần thiết để bộ phận điều chỉnh lưu lượng chuyển động với vận tốc yêu cầu. Như vậy mômen kéo động cơ tạo ra phải lớn hơn tổng mômen thủy lực và mômen ma sát. Xi lanh lực của bộ phận hướng dòng dùng để quay cánh hướng dòng thông qua vành điều chỉnh. Đối với tuốc bin ta thiết kế ta chọn một xi lanh lực. Đường kính dH của xi lanh lực được tính như sau. dH === = 5,93.10-3 (m). Trong đó : chiều cao tương đối của cánh hướng dòng. : thông số phụ thuộc vào cánh hướng dòng ,vì số cánh hướng dòng là 18 nên hệ số = 0,034. dH - đường kính trong của xilanh. ta chọn dH = 0,02 m. Lưu lượng qua bộ phận hướng dòng được tính theo công thức : (m3/s) (6.6.5). Ta thiết kế độ mở lớn nhất = 0,0268 m. Nên : m/s. Căn cứ vào quan hệ giữa độ dời của piston xi lanh lực và vành điều chỉnh để tính độ dời lớn nhất của xi lanh lực SH sao cho góc quay của vành điều chỉnh có thể đảm bảo cánh hướng dòng đạt độ mở lớn nhất a0max. Độ dịch chuyển lớn nhất của xi lanh lực. SHmax = (1,4÷1,8) a0max. SHmax = (1,4÷1,8) 0,0268 = (0,03752÷0,04824) (m), chọn SHmax = 0,04 (m). Dung tích của xi lanh lực VH. m3. Trong đó : ZH số lượng piston của các xi lanh lực. hệ số co hẹp do có cần piston nằm trong xi lanh có thể lấy theo kinh nghiệm = 0,7 ÷ 1. p0 : áp lực công tác p0 = 150 (at ) = 150. 9,81.104 N/m2. Lực tác dụng lớn nhất của xi lanh lực. N. Ta có 462051(N) > 257,6 (N) do vậy chọn xi lanh lực là hoàn toàn phù hợp. Khả năng công tác của xi lanh lực. AH = FH.SH = 462051.0,04 = 18482,04 N.m. 200 Ø 20 57 Hình 7-11 Kết cấu xylanh lực 7.11. Xác định đường kính van điều phối chính và chọn máy điều tốc cho bộ phận hướng dòng. Các kích thước của máy điều tốc phụ thuộc vào kích thước van điều phối chính. Khi chọn chúng cần phải xét đến lượng dầu qua van điều phối chính đến xi lanh lực sao cho trong quá trình điều chỉnh, lượng dầu này đảm bảo piston xi lanh lực chuyển dịch với tốc độ cần phải có. Đường kính dv của van điều phối chính thường lấy bằng đường kính ống dẫn dầu d0 từ van điều phối đến xi lanh lực. dv = d0 (m). Lượng dầu qua van điều phối chính có thể xác định theo công thức : (m3/s). Trong đó : VH : Dung tích của xi lanh lực của bộ phận hướng dòng. td : Thời gian đóng của xi lanh lực, td = (2¸3)s. Vậy : (m3/s). Do đó đường kính ống dẫn dầu từ van điều phối đến xi lanh lực là : (m). Trong đó : v : Vận tốc dầu chảy trong ống. v = (4¸8) m/s. Chọn v = 6 (m/s). Vậy : m. chọn d0 = 3 mm. Một đặc trưng quan trọng của máy điều tốc là khả năng làm việc. Khả năng làm việc của máy điều tốc là công của máy sản sinh ra khi đóng bộ phận điều chỉnh lưu lượng. VIII. LẮP RÁP - VẬN HÀNH - BẢO DƯỠNG. 8.1. Lắp ráp - vận hành. 8.1.1. Kiểm tra thiết bị. Các thiết bị của mỗi tổ máy khi đưa đến công trình phải được kiểm tra thật kỹ lưỡng xem đã đầy đủ chưa. Các thiết bị phải đặt chỗ khô ráo, không để ngoài trời nếu không có phương tiện phải lấy bạt che. Khi kiểm tra thiết bị và sử dụng thiết bị trước hết phải xem các biên bản giao nhận thiết bị, các đơn đóng hàng nếu có, giấy bảo đảm chất lượng sản phẩm (Giấy chứng nhận xuất xưởng có đầy đủ chữ ký). Tài liệu kỹ thuật sản phẩm, bản lắp sản phẩm, các bộ phận giấy ghi chép thử nghiệm sản phẩm. Những tài liệu này phải được bảo quản tốt. Công việc kiểm tra xem có bị hư hỏng gì không, nếu các mặt gia công bị han rỉ thì phải dùng xăng rửa sạch và bôi mỡ chống rỉ vào. Các dụng cụ đồng hồ đo và chi tiết dự trữ phải lấy ra ngay và bảo quản tốt. 8.1.2. Lắp thiết bị. Việc lắp thiết bị phải làm từ các bộ phận chôn trong nền móng trước theo thứ tự sau : Lắp ống hút : xác định cốt cao của mặt trên ống côn, dùng bu lông để cố định bốn chân ống côn lại tránh xê dịch khi đổ bê tông. Lắp ráp vỏ dưới tuốc bin. Lắp stato tuốc bin : chôn bulông móng, đặt bệ và căn cho chính xác, đổ bê tông mác 400, thời gian bảo vệ từ 7¸10 ngày. Sau khi đổ mác móng máy, bê tông đã khô (21 ngày từ khi bắt đầu đổ) tiến hành lắp tuốc bin. Buồng xoắn. Căn theo ống nước vào, stato tuốc bin. dùng ni vô kiểm tra mặt nằm ngang của bệ tuốc bin dung sai cho phép là 0,05 mm/m. Nếu không thăng bằng trong giới hạn cho phép thì điều chỉnh stato cho thăng bằng và sơ bộ xiết bulông móng. Đặt buồng xoắn vào vị trí, điều chỉnh mặt bích buồng xoắn và mặt bích stato tương đối khớp, thật ngay thẳng, siết bulông nối giữa vành stato và buồng xoắn. Kiểm tra lại độ thẳng đứng của hai mặt bích buồng xoắn, độ đồng tâm giữa trục tâm của buồng xoắn với đường tim các trục chiếu. Lắp cánh hướng, trục cánh hướng, bạc cánh hướng vào đúng vị trí. Lắp ráp vỏ trên tuốc bin. Lắp ráp vành điều chỉnh, thanh truyền, tay quay vào trục cánh sao cho cánh hướng quay nhẹ nhàng. Nối trục với bầu tuốc bin dùng cẩu đưa trục vào đúng vị trí lắp ráp. Lắp ráp ổ trượt đúng vị trí. Lắp ráp vòng gân chiệu lực với vỏ trên tuốc bin, lắp thân tuốc bin với vòng gân lại với nhau. Đổ bê tông đợt cho móng tuốc bin. Lắp ráp đường ống, hệ thống thủy lực điều khiển cơ cấu quay, các đường nước bôi trơn bạc, ổ trượt. Lắp ráp bánh đà, khớp nối vào đúng vị trí đã thiết kế. Lắp ráp máy phát điện điều chỉnh sơ bộ, chèn kê khỏi chạm sát rôto, xiết bu lông vào bệ máy. Kiểm tra độ không phẳng của bệ không quá 0,05mm/m.. Độ đảo hướng tâm và độ đảo mặt mút của khớp nối tuốc bin và máy phát, chỉnh tâm tuốc bin và máy phát phải trùng nhau. Nếu số liệu đo được sai lệch quá lớn so với giá trị yêu cầu trong điều kiện kỹ thuật thì tiến hành hiệu chỉnh lại độ đồng tâm của tuốc bin và máy phát. Lắp hệ thống đường ống làm mát và nước thải. Lắp máy điều tốc. Lắp van điều phối chính và máy điều tốc. Lắp nồi dầu áp lực và thiết bị dầu áp lực, các van an toàn, đường ống dẫn dầu. Kiểm tra xiết lần cuối tất cả các bu lông. 8.1.3. Những điểm cần lưu ý khi lắp ráp. Lắp ráp đúng vị trí, các bu lông, vít phải vặn cho chặt. Lắp ráp theo đúng trình tự. 8.1.4. Chạy thử. Sau khi lắp đặt xong cũng như sau các kỳ đại tu máy phải tiến hành chạy thử theo quy trình sau : 8.1.4. 1. Chuẩn bị trước khi chạy thử. Dọn sạch tất cả các rác bẩn có trong tuốc bin, đường ống nước vào và nước ra. Vặn lại một lần nữa đai ốc bu lông móng và các bộ phận cố định. Kiểm tra xem dầu mỡ đã đủ chưa. Quay các bộ phận chuyển động bằng tay xem có bị kẹt không, khe hở có thích hợp không. kiểm tra các kết cấu của hệ thống điều khiển có đảm bảo chưa, các dường dẫn dầu các van điều khiển có đảm bảo không. Cho nước vào buồng xoắn, mở van xả khí ở buồng xoắn để xả hết khí thì đóng lại. Mở van cho nước vào bộ phận làm mát. Cho tuốc bin chạy trong một giờ. Quan sát kỹ nhiệt độ của gối trục. Dùng ống nghe, nghe các bộ phận xem có tiếng động bất thường không. Nếu có phải nhanh chóng xử lý sự cố. 8.1.4.2. Chạy thử. Mục đích của việc chạy thử là làm cho các bộ phận ăn khớp nhịp nhàng với nhau, điều chỉnh máy điều tốc tự động, tăng dần phụ tải cho tuốc bin để chuẩn bị đưa vào sản xuất. Các bước chạy thử như sau: Cho tuốc bin kéo máy phát không tải trong một giờ với các vòng quay tăng dần 50 vòng/phút, 100 vòng/phút, 150 vòng/phút. Chạy máy với các phụ tải 25%, 50%, 75% công suất định mức trong 15 giờ. Chạy máy với 100% công suất trong 72 giờ. Trong quá trình chạy thử và sau khi chạy thử cần đo xê dịch hướng kính của trục, đo nhiệt độ gối trục ở các chế độ phụ tải khác nhau, xác định công suất, hiệu suất, kiểm tra tình hình của bộ phận tự động và các thiết bị khác. Sau 150 giờ chạy máy phải tháo dầu ở gối trục ra, dùng dầu hoả rửa sạch và cho dầu mới vào. 8.2. Vận hành. 8.2.1. Chạy máy. Cho nước vào buồng xoắn, mở van xả khí, van nước làm mát. Quay tải bộ phận điều chỉnh tốc độ, mở cánh hướng ra từ từ. Khi tuốc bin chạy, chú ý quan sát tốc độ quay, không được tăng lên quá nhanh. Dùng đồng hồ đo số vòng quay của tuốc bin xem có ổn định ở 125 vòng/phút. Kiểm tra nhiệt độ gối trục, chú ý xem có tiếng kêu bất thường xuất hiện không. nếu tất cả bình thường thì 15 phút sau đóng phụ tải vào. 8.2.2. Theo dõi máy đang chạy. Người vận hành phải thường xuyên theo dõi nhiệt độ gối trục, tình hình thông thoát của nước làm mát, nhiệt độ độ ẩm, áp suất của nước, không khí môi trường, tạp âm v.v. cứ 2 giờ phải ghi vào sổ một lần. Chú ý tình hình bôi trơn của các bộ phận. Cách 2 giờ phải dùng tay kiểm tra nhiệt độ ở những nơi có bộ phận chuyển động, nếu có hiện tượng khả nghi thì phải đóng máy ngay. 8.2.3. Dừng máy. Trước khi ngừng phải cắt cầu dao chính. Đóng cánh hướng dòng và van trước tuốc bin. Cho tốc độ quay giảm dần xuống. 8.2.4. Xử lý sự cố. Gặp các trường hợp sau đây thì phải nhanh chóng đóng máy và báo cáo cấp trên để tìm các biện pháp xử lý sự cố. Ổ đỡ trục nóng quá 65 0C. Máy điều tốc mất độ nhạy. Tổ máy bị rung quá mức cho phép. Tổ máy quay lồng. Cánh hướng hoặc bánh công tác bị kẹt, công suất thấp. Máy phát bị sự cố. Khi tổ máy quay lồng, phải đóng ngay cánh hướng dòng. Tổ máy quay lồng khi máy phát mất tải, bộ phận tín hiệu tốc độ quay mất nhạy cũng phải đóng cách hướng dòng trước. Ổ đỡ trục quá nóng xảy ra khi nhiệt độ môi trường xung quanh quá cao, dầu quá bẩn hoặc thiếu khe hở gối trục không đảm bảo khi bộ phận tín hiệu phát ra thì ngừng máy ngay, cho dầu mới vào ổ trục, sau đó mới xử lý sự cố. Tổ máy rung mạnh khi bị xâm thực xảy ra khi mức nước hạ lưu quá thấp hoặc công suất quá thấp. Nếu xảy ra xâm thực thì phải nâng cao mức nước hạ lưu hoặc tăng phụ tải cho máy phát. Nếu tuốc bin bị kẹt phải tháo các nắp quan sát trên buồng xoắn để kiểm tra xem rác bẩn có lọt vào buồng xoắn không. Nếu có phải tìm cách lấy ra. 8.3. Bảo dưỡng. 8.3.1. Bảo dưỡng thường kỳ. Thường xuyên làm vệ sinh lau chùi sạch sẽ thiết bị. Sau 24 giờ một lần tra mỡ vào trục cánh hướng, bạc thanh truyền và vành điều chỉnh. 8.3.2. Thay thế phụ tùng mòn hỏng. Thay bạc lót ổ trục nếu bị mòn nhiều không còn sử dụng được. Thay dây cao su ở giữa buồng xoắn với nắp trước và nắp sau tuốc bin, dùng để làm kín không cho nước dò ra ngoài, lâu ngày bị già hoá mất tác dụng phải thay mới. 8.3.3. Đại tu tuốc bin. Thông thường 2¸3 năm đại tu máy một lần. 8.3.3.1. Đại tu bộ cánh hướng. 18 cánh hướng dòng có thể mòn khác nhau, có thể sửa bằng phương pháp dũa. Thay thế các bạc trục cánh hướng dòng. 8.3.3.2. Đại tu bánh công tác. Chỗ hỏng nặng nhất là mép thoát nước, phía mặt áp lực cao của cánh do bị xâm thực. Nếu các lỗ rỗ tương đối nhỏ ta có thể cho đoạn giây đồng vào rồi tán chặt. IX. KẾT LUẬN. Từ việc khảo sát các loại tuốc bin cánh dẫn và thiết kế tuốc bin hướng trục đã giúp em cũng cố lại những kiến thức đã học. Trong quá trình thiết kế đối với một số bộ phận em đã chọn theo công thức kinh nghiệm của các chuyên gia về tuốc bin nước. Tất cả các nội dung tính toán thiết kế như : bánh công tác, bánh hướng dòng, buồng xoắn, ống hút, trục, ổ, hệ thống thủy lực điều chỉnh quay bánh hướng dòng. Mặc dầu, với sự nổ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn nhưng do kiến thức lẫn kinh nghiệm thực tế còn hạn chế. Do vậy, trong quá trình thực hiện không tránh khỏi những thiếu sót. TÀI LIỆU THAM KHẢO. [1]. Lê Phu. “Tuốc bin nước”. Tủ Sách Đại Học Xây Dựng Hà Nội 1971. [2]. “Giáo trình Tuốc bin thuỷ lực”. Trường Đại Học Thuỷ Lợi. Bộ môn thiết bị Thuỷ Năng. Nhà xuất bản Xây Dựng 2009. [3]. Đinh Ngọc Ái. “Thuỷ lực và máy thuỷ lực”. Nhà xuất bản Giáo dục Hà Nội 1996. [4]. Hoàng Đình Dũng-Hoàng Văn Tần-Vũ Hữu Hải-Nguyễn Thượng Bằng. “Máy thủy lực tuốc bin nước và máy bơm”. Nhà xuất bản Xây dựng Hà Nội-2001. [5]. Nguyễn Trọng Hiệp. “Thiết kế chi tiết máy”. Nhà xuất bản Giáo dục 2001. [6]. Ninh Đức Tốn. “Dung sai và lắp ghép”. Nhà xuất bản Giáo dục 9/2000 [7]. Webside.