Đề tài Thiết kế tuốc bin gáo và bộ điều chỉnh thủy lực vòi phun và cơ cấu cắt dòng

H, hay hiệu suất . Thay đổi hiệu suất và cột nước H là rất khó thực hiện về mặt kỹ thuật mà lại không hợp về mặt kinh tế. Vì vậy thông thường điều chỉnh mômen lực chuyển động bằng cách điều chỉnh lưu lượng đi qua tuốc bin bằng các bộ phận điều chỉnh lưu lượng đi qua tuốc bin. Trong tuốc bin gáo việc điều chỉnh lưu lượng được thực hiện nhờ cơ cấu cắt dòng và van kim ở vòi phun. 4.2. 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 (gọi tắt là hệ thống điều tốc) 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 đối của cơ cấu điều chỉnh. Hệ thống điều tốc của tuốc bin gồm các cơ cấu cơ bản sau: - Cơ cấu cảm ứng (CCCƯ) hoặc chỉ huy cảm giác độ sai lệch tốc độ quay của tổ máy và thay đổi vị trí cơ cấu điều chỉnh. - Cơ cấu điều chỉnh (CCĐC) 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 CCĐC đến vị trí tương ứng với tín hiệu của cơ cấu cảm ứng. - Cơ cấu ổn định, tác dụng của nó là làm tăng tính ổn định và chất lượng của quá trình điều chỉnh. - Cơ cấu phụ trợ: làm các động tác phụ như thay đổi chỉnh định máy điều tốc, hạn chế độ mở… Sự điều chỉnh tuốc bin nước cũng có nhiều điểm khác so 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 CCĐC chuyển động nhanh, thì trong cả hệ thống đường dẫn của tuốc bin có hiện tượng va đập thủy lực. Đó là sự khác biệt cơ bản. CCĐC tuốc bin đòi hỏi cần có lực chuyển dời lớn. Vì vậy giữa các 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. Đối với tuốc bin gáo phải tiến hành điều chỉnh kép, phải đồng thời điều khiển hai cơ cấu điều chỉnh (vòi phun và cơ cấu cắt dòng) điều này sẽ làm cho hệ thống điều chỉnh thêm phức tạp. 4.3. Các sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ tuốc bin. Theo nguyên lý tác dụng, chia ra hai loại máy điều tốc: máy điều tốc tác động trực tiếp và tác động gián tiếp. 4.3.1. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động trực tiếp. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động trực tiếp cho ở hình (4.1) Cấu tạo của máy điều tốc loại này gồm con lắc ly tâm 4, tay đòn HZS và van điều tiết lưu lượng 3. Con lắc ly tâm 4 quay được nhờ động cơ điện 2 có liên hệ bằng cơ hay điện với trục tuốc bin. Đầu bên trái của tay đòn HZS được nối với con lắc nhờ hộp trục H còn bên phải nó được nối với van điều tiết 3 tại điểm S. Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lí làm việc của máy điều tốc tác động trực tiếp 1. Trục nối từ máy phát điện; 2. Máy phát điện; 3. Van điều tiết; 4. Con lắc ly tâm Khi cắt phụ tải, vì độ mở của các cánh hướng nước chưa thay đổi nên số vòng quay của tuốc bin cũng như số vòng quay của quả lắc ly tâm tăng lên, quả lắc văng ra xa, kéo hộp trục H lên trên, lúc đó tay đòn HZS sẽ quay quanh điểm tựa Z theo chiều kim đồng hồ và đẩy van 3 xuống thấp để giảm bớt lưu lượng Q qua tuốc bin, đảm bảo cho công suất tuốc bin bằng công suất máy phát điện. Khi tăng tải thì quá trình này cũng xảy ra như thế, nhưng chiều chuyển động của các bộ phận kể trên thì ngược lại. Đường vẽ nét khuất trên hình (4.1) tương ứng với tay đòn HZS ở cuối thời điểm điều chỉnh. Từ sơ đồ trên ta thấy máy điều tốc tác động trực tiếp có cấu tạo rất đơn giản. Nhưng khuyết điểm cơ bản của nó là sai số về số vòng quay tuốc bin khá lớn khi phụ tải tăng từ 0 đến phụ tải toàn phần. Đồng thời lực để đóng mở các bộ phận điều chỉnh do quả lắc tạo ra rất nhỏ không đủ để đóng mở các bộ phận điều chỉnh của tuốc bin cỡ lớn. Bởi những lẽ đó nên hầu hết các máy điều tốc hiện đại đều được thiết kế theo sơ đồ nguyên lý tác động gián tiếp. 4.3.2. Máy điều tốc tác dụng gián tiếp. Để thay đổi độ mở các bộ phận điều chỉnh tuốc bin cỡ trung bình và cỡ lớn, đòi hỏi phải có một lực rất lớn, mạnh đến hàng nghìn kN (tương đương hàng trăm tấn) nên lực li tâm do quả lắc sinh ra qua hệ thống đòn không đủ để điều khiển các bộ phận điều chỉnh được. Bởi vậy, đối với tuốc bin cỡ trung bình và cỡ lớn, và ngay cả đối với các phần của tuốc bin cỡ nhỏ, người ta dùng máy điều tốc tác động gián tiếp. Loại máy này có cấu tạo phức tạp hơn nhiều so với máy điều tốc tác dụng trực tiếp. Giữa quả lắc li tâm và bộ phận điều chỉnh lưu lượnglà hệ thống khuếch đại tín hiệu, gồm van điều phối và động cơ tiếp lực để tạo nên lực đóng mở các bộ phận điều chỉnh lưu lượng khá lớn. Để hệ thống đóng mở ổn định, trong máy điều tốc còn có các bộ phận phục hồi. Bộ phận phục hồi gồm có hai loại: - Phục hồi cứng . - Phục hồi mềm. 4.3.3. Sơ đồ nguyên lí máy điều tốc tác dung gián tiếp có bộ phận phục hồi cứng. Máy điều tốc gồm có các bộ phận sau (hình 4.2): Quả lắc li tâm 1, thanh đòn AOB, van điều phối 2, động cơ tiếp lực 3, và thanh nối 4 nối liền điểm O và cần pittông của động cơ tếp lực. Cấu tạo của động cơ tiếp lực gồm pittông chuyển động trong xi lanh và pittông này nối với bộ phận điều chỉnh lưu lượng thông qua hệ thống tay đòn. Van trượt được thông với hai ngăn của động cơ tiếp lực nhờ hai ống dầu đặt ở hai đầu của xi lanh. Cấu tạo của van trượt gồm có vỏ hình trụ và một chiếc kim trượt trong đó trên thành vỏ có khoét 5 lổ nhỏ (cửa sổ) cửa sổ ở giữa được thông với dầu có áp được lấy từ thiết bị dầu có áp; hai cửa làm việc (ở vị trí cân bằng thì hai cửa sổ này được khép kín bởi phần lồi trên và phần lồi dưới của van kim) thông với ngăn tương ứng của động cơ tiếp lực qua hai ống dẫn dầu, hai cửa dầu trên và dưới cùng thông với thùng xả. Như vậy khi chuyển dời khỏi vị trí cân bằng thì dầu có áp đi vào một ngăn nào đó của động cơ tiếp lực, còn dầu có áp trong ngăn khác của động cơ tiếp lực sẽ theo cửa sổ làm việc và cửa xả trở về thùng dầu xả. Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lí của máy điều tốc gián tiếp có bộ phận phục hồi cứng 1. Quả lắc li tâm; 2. Van điều phối; 3. Động cơ tiếp lực; 4. Thanh nối. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống như sau: Khi tổ máy ở trạng thái ổn định, số vòng quay của tổ máy và của quả lắc li tâm sẽ không đổi. Khớp A cũng như đòn AOB ở vị trí cân bằng nên van điều phối ở vị trí giữa, còn pittông của động cơ tiếp 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 với vị trí độ mở cánh hướng dòng đứng nguyên như cũ, vòng quay của tổ máy sẽ tăng lên, làm số vòng quay của quả lắc cũng tăng lên 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 sổ dưới van cho dầu áp lực đi vào phần bên phải của động cơ tiếp lực. Dưới áp lực của dầu, pittông sẽ dịch chuyển về phía bên trái (về phía đóng bớt bộ phận hướng dòng) Còn dầu ở phần bên trái pittông sẽ không có áp lực 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 dầucủa máy điều tốc . Khi đó độ mở của bộ phận hướng dòng bị đóng bớt, lưu lượng qua tuốc bin sẽ giảm đến một trị số tương ứng với chế độ làm việc mới của tổ máy. Khi pittông chuyển dịch về bên trái, do tác dung của thanh nối 4 điểm O của thanh đòn AOB chuyển dịch lên phía trên đẩy điểm B cùng với van điều phối trở về vị trí như cũ. Khi quá trình điều chỉnh kết thúc, số vòng quay của tổ máy lớn hơn trước khi điều chỉnh một ít. Khi phụ tải tăng, số vòng quay của tổ máy giảm và quá trình làm việc của tổ máy sẽ ngược lại với khi phụ tải giảm. Và quá trình điều chỉnh kết thúc, số vòng quay của tổ máy sẽ nhỏ hơn số vòng quay ban đầu . Với cơ cấu máy điều tốc như trên, số vòng quay của tổ máy phụ thuộc vào công suất tuốc bin. Do đó loại này còn có tên gọi là điều chỉnh có sai số. 4.3.4. Sơ đồ nguyên lí của máy điều tốc tác dụng gián tiếp có bộ phận phục hồi mềm. (hình 4.3). Khuyết điểm của máy điều tốc nói trên là có số vòng quay sau khi điều chỉnh khác số vòng quay ban đầu. Máy điều tốc có bộ phận phục hồi mềm sẽ tránh được khuyết điểm này, nó sẽ bảo đảm số vòng quay của tổ máy không đổi sau khi diều chỉnh đã hoàn thành. Đó là do giữa đòn AOB và cần pittông của đông cơ tiếp lực không dùng bộ phận phục hồi cứng mà dùng bình hoãn xung làm bộ phận phục hồi, đó là bộ phận phục hồi mềm. Bình hoãn xung gồm xilanh chứa đầy dầu 5, lò xo 6, đĩa pittông có lổ rất nhỏ để dầu có thể từ bên này pittông đi qua phần bên kia với tốc độ rất bé. Cơ cấu này cho phép đưa đòn AOB từ từ trở về vị trí ban đầu (vị trí tương ứng với số vòng quay bình thường trước khi điều chỉnh). Hình 4.3.Sơ đồ nguyên lí máy điều tốc tác dung gián tiếp có bộ phận phục hồi mềm 1. Quả lắc li tâm; 2. Van điều phối ; 3. Động cơ tiếp lực; 4. Pittông; 5. Xi lanh 6. Lò xo. Quá trình điều chỉnh của nó trong trường hợp giảm bớt phụ tải từ khi số vòng quay của quả lắc li tâm tăng lên cho đến khi điểm O bị bộ phận phục hồi đẩy lên phía trên để đưa pittông của van điều phối trở về vị trí giữa, hoàn toàn giống máy điều tốc phục hồi cứng. Ở máy điều tốc có bộ phận phục hồi mềm khi điểm O bị đẩy lên cùng với bộ phận phục hồi mềm sẽ nén lò xo 6 lại. Sở dĩ như thế là quá trình xảy ra rất nhanh, nên dầu ở phần dưới không kịp chui qua các lổ nhỏ để lên phần trên đĩa pittông của bình hoãn xung 4. Do đó, khi pittông của động cơ tiếp lực dịch về bên trái, pittông 4 cùng xi lanh 5 cũng bị đẩy lên phía trên nâng điểm O lên để đưa pittông của van điều phối 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 lò xo bị nén, dầu ở phía dưới pittông sẽ theo các lổ nhỏ li ti ở đĩa đi lên phần trên và đĩa pittông từ từ hạ xuống cho đến khi điểm O và cả đòn AOB trở về vị trí ban đầu. Vì vậy, sau khi điều chỉnh, số vòng quay của tổ máy sẽ trở về với số vòng quay ban đầu (bằng số vòng quay định mức). Hệ thống điều chỉnh này còn gọi là hệ thống điều chỉnh không sai số. Quá trình làm việc của máy điều tốc này khi phụ tải tăng, tức là 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. 4.3.5. Chọn sơ đồ điều chỉnh kép cho tuốc bin gáo. Tác dụng điều chỉnh kép của tuốc bin gáo cũng giống như ở tuốc bin tâm trục cột nước cao, nó vừa điều chỉnh số vòng quay và làm giảm áp lực nước va trong đường ống áp lực khi cắt phụ tải. Sơ đồ nguyên lý của nó cho ở hình (4.4). Ngyên lý hoạt động: Khi cắt phụ tải thì số vòng quay của tổ máy tăng lên, làm số vòng quay của quả lắc li tâm tăng lên 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 dưới làm mở các cửa sổ dưới van làm cho dầu có áp lực đi vào ngăn bên trái của động cơ tiếp lực của cơ cấu cắt dòng, trước hết là động cơ tiếp lực 2 của bộ phận cắt dòng 9 tác động nhanh để cắt một phần hay toàn bộ dòng tia không cho tác động vào bánh xe công tác, đồng thời khi pittông của động cơ tiếp lực này chuyển dịch về phía đóng sẽ đẩy nêm liên hợp 3 chuyển động sang phải, ròng rọc cùng đòn 4 đi lên, do đó đẩy kim 5 của van trượt đi xuống để mở các cửa sổ, đưa dầu có áp lực vào khoang bên trái của động cơ tiếp lực 7. Kết quả là van kim 8 sẽ từ từ đóng lại là nhờ van tiết lưu 6 lắp vào ống dầu đi vào ngăn bên trái của động cơ tiếp lực 7. Khi tăng phụ tải thì cơ cấu cắt dòng 9 dời xa dòng tia nên nó không có tác dụng điều chỉnh lưu lượng dòng tia . Khi tăng phụ tải thì số vòng quay của tổ máy giảm, do đó số vòng quay của quả lắc li tâm giảm. Quá trình điều chỉnh ngược lại với quá trình trên. Hình 4.4. Sơ đồ điều chỉnh kép tuốc bin gáo. 1: Quả lắc li tâm 2: Động cơ tiếp lực của bộ phận cắt dòng 3: Nêm liên hợp 4: Các tay đòn 5: Kim của van trượt 6: Van tiết lưu 7: Động cơ tiếp lực của bộ phận điều chỉnh lưu lượng 8: Van kim của vòi phun 9: Cơ cấu cắt dòng M: vị trí mở, D: vị trí đóng. 4.4. Tính toán hệ thống truyền động thủy lực điều chỉnh của tuốc bin gáo. 4.4.1. Hệ thống truyền động thủy lực của cơ cấu cắt dòng. Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống: (hình 4.5) Hình 4.5. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều chỉnh kép tuốc bin gáo 1. Quả lắc li tâm; 2. Động cơ tiếp lực của bộ phận cắt dòng; 3. Nêm liên hợp; 4. Các tay đòn; 5. Kim của van trượt; 6. Van tiết lưu; 7. Động cơ tiếp lực của bộ phận điều chỉnh lưu lượng; 8. Van kim của vòi phun; 9. Cơ cấu cắt dòng; 10. Van an toàn; 11. Bơm dầu; 12. Lọc . M: vị trí mở, D: vị trí đóng. * Trường hợp cắt toàn bộ tia nước: Q = 0,55 (m3/s) Hình 4.6. Sơ đồ tính toán cơ cấu cắt dòng khi cắt toàn bộ tia nước Theo trên ta có: Áp lực toàn bộ tia nước tác dụng lên gáo tuốc bin: = Trong đó: : khối lượng riêng của nước. = 1000 (kg/m3) Q: lưu lượng nước. Q = 0,55 (m3/s) c: vận tốc tuyệt đối của tia nước. c = 58,77 (m/s) u: vận tốc vòng của gáo. u = 26,45 (m/s) Khi đó: = 35,48 (kN) Để cắt toàn bộ tia nước thì tại khớp quay O của cơ cấu cắt dòng phải có một mô men để tạo ra một lực tối đa bằng áp lực của tia nước phun vào gáo. Mô men tại khớp quay O: MO = Fo.0,177 Với: Fo: lực của tia nước phun vào gáo, Fo = 35,48 (kN) Mo = Fo.0,177 = 35,48.0,177 = 6,28 (kN.m) Mô men tại khớp quay O thì cân bằng với mô men tại khớp A: MO = MA Mà: MA = F1.0,165 Với: F1: lực do động cơ thủy lực tạo ra. F1 = = (kN) Mà: F1 = p. Trong đó: p: áp suất dầu do bơm cấp. p = (2040) (at). Chọn p = 30 (at) Hay p = 30.9,81.104 = 2943 (kN/m2) DĐL: đường kính pittông động cơ thủy lực của cơ cấu cắt dòng. DĐL = = (m) Dưới đây là kết cấu xi lanh lực ( hình 4.7): Hình 4.7. Kết cấu xi lanh động cơ thủy lực của cơ cấu cắt dòng. 1- Xi lanh; 2- Pittông; 3- Cần pittông; 4- Phớt chắn dầu * Trường hợp cắt một nữa tia nước: Q1 = (m3/s) Lực do động cơ thủy lực tạo ra: F2 = (kN) 4.4.2. Hệ thống truyền động thủy lực của vòi phun, kim phun. * Trường hợp cắt toàn bộ tia nước không cho phun vào gáo: Sơ đồ tính toán như hình dưới đây: (hình 4.8) Hình 4.8. Sơ đồ tính toán kim phun khi cắt toàn bộ tia nước Lực do động cơ thủy lực của kim phun tạo ra phải thắng được lực lò xo trên cần điều khiển van kim cộng với lực của nước tác dụng lên van kim. Chia van kim ra làm 2 phần: phần đầu ABCD ta xem như hình nón cụt và phần mũi kim phun OCD ta xem như hình nón. Lực của nước tác dụng lên phần đầu ABCD: Fn1 Fn1 = SABCD.pn Trong đó: SABCD: diện tích xung quanh phần đầu. SABCD = = 0,04 (m2) pn: áp suất của nước tác dụng lên phần đầu, pn = 191(mH2O) = 1873,71 (kN/m2) Fn1 = 0,04. 1873,71 = 74,95 (kN) Lực của nước tác dụng lên phần mũi kim OCD: Fn2 Fn2 = SOCD.pn Trong đó: SOCD: diện tích xung quanh phần mũi kim. SOCD = (m2) Fn1 = 0,036. 1873,71 = 67,78 (kN) Lực do lò xo lắp trên cần điều khiển kim phun: Flx Flx = C. Trong đó: C: độ cứng của lò xo, C = 200 (kN/m) : hành trình nén của lò xo Để cắt toàn bộ tia nước, thì lò xo bị nén một đoạn bằng độ dịch chuyển lớn nhất của van kim. Từ đó suy ra: Flx = C. = 200.0,084 = 16,8 (kN) Vậy lực do động cơ tiếp lực tạo ra là: FĐL = Flx + Fn1 –Fn2 = 16,8 + 74,95 -67,78 = 23,97 (kN) Mà: FĐL = p. Trong đó: p: áp suất dầu do bơm cấp. p = (2040) (at). Chọn p = 30 (at) Hay p = 30.9,81.104 = 2943 (kN/m2) DĐL: đường kính pittông động cơ thủy lực của van kim DĐL = = (m) Hình 4.9. Kết cấu xi lanh động cơ thủy lực của van kim. 1- Xi lanh; 2- Pittông; 3- Cần pittông; 4- Phớt chắn dầu * Trường hợp cắt một nữa tia nước không cho phun vào gáo: Trong trường hợp này thì F’lx = Flx/2 = 16,8/2 = 8,4 (kN) Vậy lực do động cơ tiếp lực tạo ra là: FĐL = F’lx + Fn1 –Fn2 = 8,4 +74,95 -67,78 = 15,57 (kN) 4.4.3. Thiết bị dầu áp lực. Để thao tác máy điều tốc tác dung gián tiếp cần phải có hệ thống dầu áp lực làm nguồn cung cấp năng lượng lấy dầu làm môi trường truyền lực. Nó có chức năng là cung cấp dầu có áp cho hệ thống điều khiển và điều chỉnh tuốc bin và trong một số trường hợp, còn cung cấp cho một số thiết bị khác như động cơ tiếp lực của các van đĩa, van cầu, van tháo không, cơ cấu cắt nước. Vì vậy nó là bộ phận trọng yếu trong hệ thống điều chỉnh. Thiết bị dầu áp lực bao gồm: Bình dầu áp lực thùng dầu, bơm dầu. Trong nồi dầu, dầu chiếm 30-40% thể tích, phần còn lại là không khí nén. Nhờ tính đàn hồi của không khí nén nên sóng áp lực sinh ra khi thao tác hệ thống điều chỉnh được giảm xuống rất nhiều. Khối lượng và áp lực dầu trong nồi dầu cần đủ đảm bảo cho sự hoạt động của tất cả các cơ cấu điều chỉnh và điều khiển ở tất cả các chế độ làm việc có thể của tổ máy. Vì vậy nồi dầu có thể xem là nguồn trữ năng, nên giảm bớt được công suất của bơm dầu so với loại máy điều tốc dùng bơm dầu trực tiếp. Trong quá trình điều chỉnh tuốc bin, dầu và không khí nén trong nồi dầu bị hao hụt vì rò rỉ qua các khe hở. Vì vậy phải đặt hai bơm dầu, trong đó một cáilà dự trữ, để đưa dầu từ thùng chứa về nồi dầu. Còn không khí nén là do máy nén khí chung của nhà máy thuỷ điện bổ sung định kỳ cho nồi dầu. Áp lực không khí nén (cũng là của dầu) trong nồi thường 20 40 daN/cm2 phụ thuộc vào kiểu máy điều chỉnh. Quá trình làm việc của thiết bị dầu hoàn toàn tự động hoá do một hệ thống rơle đảm nhiệm. 5. Thiết kế trục tuốc bin. Trục tuốc bin là một trong những chi tiết quan trọng, dùng để truyền chuyển động quay từ bánh xe công tác đến máy phát điện. Một đầu trục lắp chặt với bánh xe công tác, còn đầu ra lắp với bánh đà để cân bằng tuốc bin với máy phát điện. Khi tuốc bin làm việc, có thể xảy ra trường hợp nguy hiểm là tuốc bin bị quay lồng khi phu tải bị cắt đột ngột mà cánh hướng dòng không được đóng lại, khi đó số vòng quay của tuốc bin sẽ rất lớn. Do vậy khi thiết kế trục ta phải đảm bảo độ an toàn cho trục khi xảy ra trường hợp này, hay nói cách khác ta tính trục khi xảy ra hiện tượng quay lồng. Do đó ta chọn số vòng quay lồng của tuốc bin làm thông số tính toán. 5.1. Chọn vật liệu chế tạo trục tuốc bin: Như đã phân tích, trục là một bộ phận quan trọng nhất của tuốc bin có nhiệm vụ để truyền momen xoắn từ bánh xe công tác đến roto của máy phát điện. Trục có thể làm bằng thép cacbon hay thép hợp kim. Đối với tuốc bin thiết kế, trục chịu tải trọng không lớn lắm nên ta chọn thép C45 cacbon để làm trục. 5.2. Các lực tác dụng lên trục tuốc bin: Để tính được trục, trước hết ta cần phải xác định được các lực tác dụng lên trục trong quá trình làm việc của tuốc bin các lực này bao gồm: - Áp lực của nước tác dụng lên bánh xe công tác - Lực vòng do momen xoắn gây ra - Trọng lượng của bánh đà - Trọng lượng của bánh xe công tác 5.2.1. Áp lực của nước tác dụng lên bánh xe công tác. Áp lực nước lên bánh xe công tác được xác định theo công thức sau: = (5.1) Trong đó: : khối lượng riêng của nước. = 1000 (kg/m3) Q: lưu lượng nước. Q = 0,55 (m3/s) c: vận tốc tuyệt đối của tia nước. c = 58,77 (m/s) u: vận tốc vòng của gáo. u = 26,45 (m/s) Khi đó: = 35,48 (kN) 5.2.2. Lực vòng do momen xoắn gây ra. Lực vòng do momen xoắn gây ra được tính theo công thức: (5.2) Trong đó: D: Đường kính bánh xe công tác. D = 0,84m Mx: Mô men xoắn trên trục tuốc bin và được xác định theo công thức: (5.3) =(KN.m) Vậy: (KN) Trọng lượng bánh xe công tác. Bánh xe công tác gồm có đĩa và trên đĩa gắn gáo. Để xác định trọng lượng bánh xe công tác ta xác định trọng lượng gáo và trọng lượng đĩa riêng. Để xác định thể tích gáo ta trải gáo ra thành tấm phẳng, rồi sau đó tính diện tích tấm phẳng đó và nhân với chiều dày tấm phẳng đó. Hình 5.1. Sơ đồ tính thể tích gáo. Từ hình trên ta chia gáo thành hai phần A và B Phần A (phần gáo): Để đơn giản cho tính toán ta đưa phần A về dạng hình chữ nhật. Hình chữ nhật này có chiều dài là 200mm và chiều rộng 240mm và chiều dày là 15mm. Từ đây ta có thể tính phần A: VA = 0,2. 0,24. 0,015 = 7,2.(m3) Phần B (phần cán gáo): VB = 0,05. 0,07. 0,03 + 0,11.0,04.0,03 = 2,37. (m3) Vậy thể tích gáo: VG = VA+ VB VG = 7,2. + 2,37. = 9,57. (m3) Vậy trọng lượng toàn bộ gáo: IG = 18.g.VG (5.4) Trong đó: g : trọng lượng riêng của vật liệu làm gáo. Chọn vật liệu là thép: g = 78 (KN/m3). Khi đó: IG = 18.78. 9,57. = 1,34 (KN) Xác định trọng lượng đĩa gáo: IĐ = g.b.p.(D12 - d2)/4 (5.5) Trong đó: D: đường kính ngoài của đĩa. d: đường kính trục. b: chiều dày đĩa. g: trọng lượng riêng của vật liệu làm đĩa. Đường kính trục được tính sơ bộ như sau: (5.6) Trong đó: NT: Công suất truyền, NT = 875,959 (KW) n: Số vòng quay của tuốc bin, n = 600 (v/ph) C: Hệ số tính toán, với vật liệu làm trục là thép 45 thì C = 150 ¸170 Chọn C = 160 Vậy: (mm) Chọn d = 200 (mm) Đường kính ngoài của đĩa: Da – (h + 2.0,015) = 0,934 – (0,2 + 0,03) = 0,705 (m) Đĩa làm bằng thép: g = 78 KN/m3. IĐ = 78.0,07.3,14.(0,7052 - 0,22)/4 = 1,99 (KN) Vậy trọng lượng toàn bộ của bánh xe công tác là: Gbxct = 1,34 + 1,99 = 3,33 (KN) 5.2.4. Tính toán kích thước và trọng lượng bánh đà Ta biết rằng đường kính bánh đà càng lớn thì mô men càng lớn, nhưng nó phải hạn chế theo điều kiện bền của vật liệu chọn vật liệu chế tạo bánh đà là gang thì đường kính bánh đà phải thỏa mãn điều kiện sau, theo công thức kinh nghiệm ta có: (5.7) Trong đó: D: Đường kính trung bình của vành bánh đà t: Chiều dày của vành bánh đà nđ: số vòng quay ứng với trường hợp quá đà. Trường hợp khi phụ tải của tổ máy bị cắt đột ngột mà CCCD và vòi phun không kịp đóng lại thì vòng quay của tuốc bin đột biến tăng lên và qua một thời gian ngắn sẽ đạt đến giá trị lớn nhất, lúc này tổ máy sẽ quay lồng. Do đó ta chọn nđ = nl số vòng quay lồng với tuốc bin đang thiết kế có số vòng quay lồng là nl = 1020 (v/ph) được xác định được từ thực nghiệm. Theo công thức kinh nghiệm thì tỷ số giữa đường kính trung bình của vành bánh đà D và chiều dày của vành bánh đà t chọn trong khoảng: Chọn => D = 7.t Vậy từ điều kiện: Hay t £ 0,154 (m) Chọn t = 0,15 (m) Vậy D = 8.t = 8 0,15 = 1,2 (m) Đối với bánh đà được làm bằng gang thì chiều rộng b được tính theo D và t như sau: (5.8) => = (m) Trọng lượng bánh đà được tính theo công thức sau: G1 = b.t.p.D.g (5.9) Trong đó: b: Chiều rộng bánh đà t: Chiều dày bánh đà D: Đường kính của bánh đà g: Trọng lượng riêng của vật liệu làm bánh đà. Đối với bánh đà đang thiết kế, ta chọn vật liệu bằng gang do đó: g = 7,2 .104 N/m3 Suy ra: G1 = b.t.p.D.g = 0,270,153,141,27,2104 = 10987,5 (N) Vậy trọng lượng của bánh đà là: G1 = 10987,5 (N) 5.3. Tính sức bền trục: Trục là chi tiết quan trọng của tuốc bin, do đó chúng ta cần phải tính bền trục để đảm bảo cho trục làm việc. 5.3.1. Tính sơ bộ: Để xác định đường kính trục một cách sơ bộ, ta chỉ xét đến tải trọng của mômen xoắn trên trục mà không xét đến tác dụng tải trọng gây biến dạng uốn, xác định theo công thức: Theo trên ta đã xác định được đường kính sơ bộ d = 180mm 5.3.2. Tính gần đúng: Tính gần đúng xét tác dụng đồng thời cả mômen uốn lẫn mômen xoắn đến sức bền của trục. Hình 5.2. Sơ đồ tính trục tuốc bin Ở đây: Pv = 32,5 (KN) Gbxct = 3,33 (KN) Gbd = 10,987 (KN) a = 0,7 (m) b = 0,7 (m) c = 0,5 (m) Tính phản lực ở các gối đỡ: S MAy = -Gbđ.(a+b+c) - GBXCT.a + RBy.(a+b) = 0 RBy + RAy - GBXCT – Gbd = 0 Giải hệ phương trình trên ta được: RBy = 16,6 (KN), RAy = - 2,28 (KN) Viết phương trình cân bằng mômen và lực theo phương x, ta được: S MAx = Pv.a - RBx.(a+b) = 0 RAx + RBx - Pv = 0 Giải hệ phương trình trên ta được kết quả: RAx = 16,25 (KN), RBx = 16,25 (KN) Vậy ta được các giá trị sau: RAx = 16,25 (KN), RBx = 16,25 (KN) RBy = 16,6 (KN), RAy = - 2,28 (KN) Vẽ biểu đồ mô men của trục tuốc bin. (hình 5.3) Hình 5.3. Biểu đồ mômen của trục tuốc bin. Tại tiết diện A chịu lực lớn nhất nên ta sẽ tính đường kính trục tại tiết diện A. Mômen uốn tại A: (5.10) Trong đó: Muy = 2,33 (kN.m) Mux = 22,75 (kN.m) Khi đó: (KN.m) Mômen tương đương tại tiết diện A của trục: (5.11) (KN.m) Đường kính trục tại tiết diện này được xác định như sau: Trong đó: [s]: Ứng suất cho phép của thép chế tạo trục. Với vật liệu là thép 45 thì [s] = 70 MN/m2 = 70.103 KN/m2. Khi đó: (m) Ta lấy d = 0,2 (m) 5.3.3. Tính chính xác trục: Ơ hai bước trên ta đã bỏ qua nhiều yếu tố để đơn giản khi tính toán. Sau khi tính toán ta có thể xác định được kết cấu của trục một cách cụ thể, sau đó phải tiến hành tính toán có xét đến ảnh hưởng của một số yếu tố quan trọng đến sức bền mỏi của trục như đặc tính thay đổi chu kỳ ứng suất, sự tập trung ứng suất. Các yếu tố kích thước chất lượng bề mặt. Để làm điều này ta cần kiểm tra trục theo hệ số an toàn. Hệ số an toàn được tính như sau: (5.12) Trong đó: ns: Hệ số an toàn chỉ xét đến ứng suất pháp và được tính theo công thức : (5.13) nt: Hệ số an toàn chỉ xét đến ứng suất tiếp và được tính theo công thức : (5.14) Với:, : Giới hạn mủi uốn và xoắn ứng với chu kỳ đối xứng, có thể tính gần đúng như sau: sb: ứng suất bền của vật liệu làm trục, theo tài liệu ta có sb = 750 N/mm2 Suy ra: = (0,4¸0,5).750 = (300¸375) (N/mm2) Chọn = 350 (N/mm2) = (0,2¸0,3).750 = (150¸225) N/mm2 Chọn = 200 (N/mm2) ta, : Biên độ ứng suất tiếp và ứng suất pháp sinh ra trong tiết diện trục (5.15) (5.16) Do ứng suất thay đổi theo chu kỳ ứng suất, ta có: (5.17) (5.18) Trong đó: Wu, Wo: Là momen chống uốn và chống xoắn của tiết diện. = và Do vậy ta có: (N/mm2) (N/mm2) , tm: trị số trung bình của ứng suất pháp, ứng suất tiếp chúng là thành phần không đổi trong chu kỳ ứng suất. (5.19) (N/mm2) (5.20) , : là các hệ số xét đến ảnh hưởng của trị số ứng suất trung bình đến sức bền mỏi và tính theo công thức: (5.21) (5.22) Với t0, 0 : là giới hạn mỏi ứng với chu kỳ mạch động. Chọn và và: Là các hệ số kích thước xét đến ảnh hưởng của kích thước đối với giới hạn mỏi. Chọn = 0,62 và = 0,52 b: Hệ số tăng bền, ở đây không dùng các phương pháp đặc biệt để tăng bền cho trục nên b = 1. Ks, Kt: các hệ số tập trung ứng suất Chọn Ks = 1,64 và Kt = 1,6 Thay tất cả các giá trị vào công thức sau: Do vậy ta có hệ số an toàn là: [n]: Hệ số an toàn cho phép, thường [n] = 2,3¸3 Do đó n > [n]. Vậy trục tuốc bin làm việc đủ bền. 5.3.4. Tính chọn then. Để cố định bánh xe công tác theo phương tiếp tuyến, nói một cách khác là để truyền mô men và chuyển động từ bánh xe công tác đến trục hoặc ngược lại ta dùng then. Theo trên ta tính được đường kính chổ lắp then là d = 200 mm. Tra bảng ta chọn then có các kích thước như sau: b = 45mm, h = 25mm t = 13mm, t1 = 12,2mm l = 180mm, k = 14,6mm Hình 5.4. Hình vẽ thể hiện các kích thước của then * Kiểm nghiệm sức bền dập của then theo công thức sau: (N/mm2) (5.23) Chọn (N/mm2) * Kiểm nghiệm về sức bền cắt của then theo công thức sau: (5.24) Chọn (N/mm2) 6. Thiết kế gối đỡ trục. Khi thiết kế gối đỡ trục ta cần suy nghĩ nên chọn ổ lăn hay ổ trượt. Thông thường người ta chọn ổ lăn vì những lý do sau: - Giá thành ổ lăn rẻ và chất lượng bảo đảm. - Chọn ổ lăn dễ dàng. Tuy nhiên trong những trường hợp sau đây thì không dùng ổ lăn mà phải dùng ổ trượt. Đối với trục làm việc với vận tốc lớn, nếu dùng ổ lăn cấp chính xác bình thường thì không thích hợp, số vòng quay cho phép của nó bé. Còn nếu chọn ổ lăn cấp chính xác cao thì giá đắt, như vậy trong trường hợp này dùng ổ trượt là hợp lý Đối với trục có đường kính lớn (d³200mm) dùng ổ trượt giá rẻ hơn và kích thước nhỏ hơn. Mặc khác ổ trượt có khả năng chịu được tải trọng chấn động, làm việc êm. Nếu ổ trượt làm việc ở chế độ ma sát ướt thì mất mát do ma sát và mòn trong ổ trượt không lớn như ở ổ lăn, ổ trượt có thể làm việc tốt hơn trong môi trường nhiệt độ thay đổi trong phạm vi lớn. Nhờ có những ưu điểm trên, ổ trượt thường được dùng trong tuốc bin, máy điện. 6.1. Vấn đề ma sát và bôi trơn 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 ngỗng trục. Mặc khác vì có sự trượt tương đối giữa ngỗng trục và lót ổ, nếu bôi trơn không tốt ngỗng trục và lót ổ sẽ bị mòn nhanh, khi bị mòn nhiều, ổ không dùng được nữa. Để giảm ma sát và mài mòn cần phải bôi trơn ổ. Tùy theo điều kiện bôi trơn ổ mà có các dạng ma sát ướt, nữa ướt, nữa khô và ma sát khô. Ma sát ướt sinh ra khi bề mặt ngỗng trục và ổ trượt ngăn cách bởi một lớp bôi trơn và có chiêù dày lớn hơn tổng số mấp mô bề mặt. Nhờ có lớp dầu ngăn cách mà ngỗng trục và lót ổ không trực tiếp tiếp xúc với nhau, do đó không bị mòn. Trong chế độ bôi trơn ma sát ướt, hoạt động tương đối giữa ngỗng trục và lót ổ bị cản trở bởi một ma sát của lớp bôi trơn, hệ số ma sát rất bé. Để thực hiện bôi trơn ma sát ướt người ta dùng các phương pháp sau: - Bôi trơn thủy tĩnh là bôi trơn vào ổ dầu có áp suất cao đủ để có thể nâng ngỗng trục. Phương pháp này đòi hỏi phải có thiết bị nén đè, tạo áp suất cao và dần dần rất phức tạp. - Bôi trơn thủy động là tạo những điều kiện nhất định để dầu vào khe hở gây nên áp suất thủy động cân bằng với tải trọng ngoài. 6.2. Thiết kế ổ trượt: 6.2.1. Chọn vật liệu ổ: Chọn vật liệu ổ có ảnh hưởng quan trọng đến khả năng làm việc của ổ trượt, vật liệu lót ổ cần thỏa mãn các yêu cầu chủ yếu sau: - Hệ số ma sát giữa lót ổ và ngỗng trục thấp. - Đủ sức bền. - Có khả năng chống mòn và dính. - Dẫn nhiệt tốt. - Dể tạo thành màn dầu bôi trơn Hiện nay vật liệu lót ổ thường làm bằng kim loại, thường dùng nhất là babít và hợp kim kẽm. Babít có tính chất giảm ma sát, giảm mài mòn và chống dính tốt, nhưng cơ tính của nó không cao và giá thành đắt, còn hợp kim kẽm có tính giảm ma sát tương đối tốt, dễ kiếm, dễ chế tạo nên được dùng nhiều thay cho babít. Nhưng hợp kim này có nhược điểm là chống mòn không được tốt, do đó đòi hỏi chế tạo chính xác cao và độ nhẵn bề mặt cao. Trên cơ sở ưa nhược điểm của hai vật liệu này, ta chọn vật liệu lót ổ là hợp kim kẽm. 6.2.2 Cấu tạo ổ trượt: Cấu tạo ổ trượt thường dựa vào các điều kiện chủ yếu sau đây: - Cách chịu tải (hướng tâm, 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 có thân ổ, lót ổ, ngoài ra còn có bộ phận bôi trơn và bảo vệ. Theo cấu tạo có thể chia ổ trượt làm hai loại: ổ nguyên và ổ dính (ổ ghép). Ở đây ta chọn loại ổ ghép để dễ thay thế và sửa chữa. 6.2.3. Tính toán ổ trượt: Để tính toán ổ trượt ta dùng phương pháp tính toán ổ trượt theo ma sát ướt, trình tự tính toán như sau: 6.2.3.1. Chọn tỷ số l/d: l: Chiều dài ổ trượt d: Đường kính ngỗng trục, d = 140 (mm) Ta thường lấy tỷ số: Chọn: => l = 0,9.d = 0,9.140 = 126 (mm) Chọn l = 220 (mm) Sau khi chọn và tính l, ta tiến hành kiểm tra theo áp suất cho phép theo công thức: (N/mm2) (6.1) Trong đó: R: Tải trọng hướng tâm R2 = R2Ax + R2Ay (6.2) Với RAx , RAy là các giá trị lực đã tính ở phần tính toán trục RAx = 16250 N và RAy = 2280 N (N) d: Đường kính trong của ổ cũng là đường kính của ngỗng trục, d = 140 (mm) [p]: Áp suất cho phép (N/mm2) Tra bảng, vật liệu lót là hợp kim kẽm có [p] = 12 N/mm2. Thay các giá trị vào công thức trên ta được: (N/mm2) Vậy p£ [p] = 12 (N/mm2) 6.2.3.2. Chọn khe hở tương đối y: Khe hở tương đối y được xác định theo công thức: (6.3) Trong đó: D: Đường kính lót ổ d: Đường kính ngỗng trục. Theo tài liệu, với d = (100 500) mm thì lấy y = 0,002 ¸0,001. Ta chọn y = 0,002, do đó ta tính được đường kính ổ lót. => D = yd + d = 0,002.140 + 140 = 140,28 (mm) Khe hở: D = y.d = 0,002.140 = 0,28 (mm) Do khi lắp ổ phải tạo ra khe hở đủ nhét dầu vào nên ta chọn kiểu lắp lỏng. Theo tiêu chuẩn Việt Nam 23-63 chọn kiểu lắp . Với kiểu lắp này ta có được các thông số sau: Dmax = 112 mm = 0,112 (mm) Dmin = 50 mm = 0,05 (mm) Vậy khe hở trung bình của mối lắp là: (6.4) Do đó ta tính được chính xác độ hở tương đối. Vậy đường kính chính xác của lót ổ là: D = j.d+d = .140 + 140 = 140,081 (mm) 6.2.3.3. Chọn loại dầu, định nhiệt độ trung bình trong ổ và chọn nhớt của dầu. Theo bảng ta có: Tích số n.d của tuốc bin là: n.d = 140.600 = 84000 (mm .vòng/phút) Áp suất sinh ra trên bề mặt tiếp xúc giữa lót ổ và ngỗng trục đã tính ở trên là: p = 0,63 (N/mm2) Với chỉ số này ta có thể chọn độ nhớt của dầu bôi trơn là: n = 16,2 ¸ 23 (Cst) Từ độ nhớt này theo bảng ta chọn loại dầu cho tuốc bin có ký hiệu: 22 ( ) YT GOCT 32-53 6.2.3.4. Tính hệ số khả năng tải: f Hệ số khả năng tải f được xác định theo công thức sau: (6.5) Trong đó: p: áp suất quy ước đã được xác định ở trên. : khe hở tương đối đã tính chính xác ở trên. w: vận tốc góc của trục. (rad) (6.6) m : Độ nhớt của dầu (Ns/m2) Ta có mối quan hệ độ nhớt động lực m và độ nhớt động học n như sau: m = r.n (6.7) Trong đó: r: khối lượng riêng của dầu, r = 0,9 g/cm3 = 0,9.10-3 kg/cm3 n: độ nhớt động học n = 16,2 ¸ 23 (cst), chọn n = 20 (cst) Vậy: m = r.n = 0,9.10-3.20 = 0,018 (Ns/m2) Thay các giá trị trên vào công thức sau: (6.8) Từ hệ số khả năng tải trọng f, theo bảng ta tra được độ lệch tâm tương đối:= 0,85 Sau đó tính chiều dày nhỏ nhất lớp dầu trong ổ theo công thức sau: (6.9) = (mm) Sau đó kiểm nghiệm trị số hmin theo bất đẳng thức: hmin ³ K(Rz1 + Rz2) Trong đó: K: Hệ số xét đến chế tạo và lắp ghép không chính xác, độ biến dạng đàn hồi của trục. Tra bảng, lấy K = 2 Rz1, Rz2: Độ cao trung bình của các nhấp nhô bề mặt ngỗng trục và lót ổ. Giả thiết độ bóng bề mặt lắp ghép là: Với trục có Ñ8 có Rz1 = 2mm Với lót ổ có Ñ7 có Rz2 = 3,5mm Từ đó ta có: hmin ³ K (Rz1 + Rz2) ³ 2.(2 + 3,5) ³ 11mm Ta có hmin = 21mm >11mm, thỏa mãn. Điều đó có nghĩa là ổ trượt đảm bảo làm việc ở chế độ ma sát ướt. 6.2.3.5. Kiểm nghiệm về nhiệt: Tính nhiệt dựa trên nguyên lý giữa nhiệt lượng sinh ra và nhiệt lượng thoát đi. Nhiệt lượng sinh ra trong ổ trượt W được tính theo công thức sau: (KW) (6.10) Trong đó: R: Lực tác dụng lên ổ, R = 23230 (N). v: Vận tốc vòng m/s. v =(m/s) f: Hệ số ma sát, được xác định theo đồ thị 8-44 của [3]. Theo đồ thị này ứng với c = 0,85, , ta có: Thay tất cả các giá trị vào công thức sau: (KW) = 0,31 (KW) Nhiệt lượng thoát ra theo dầu chảy qua ổ trong 1s được tính theo công thức: W1 = C.r.Q.Dt (6.11) Trong đó: C: Nhiệt dung riêng của dầu, C = (1,7 ÷ 2,1)KJ/kg 0C. Chọn C = 2 KJ/kg 0C r: Khối lượng riêng của dầu, r = (850 ÷ 900) kg/m3. Chọn r =850 kg/m3 Dt: Hiệu số nhiệt độ dầu ra vào, Dt = tra - tvào Q: Lưu lượng dầy chảy qua ổ, (m3/s) được xác định theo đồ thị 8-45 trang 218 TKCTM. Từ đồ thị này với c = 0,85 và = 0,9 ta tìm được: => Q = 0,08.w.y.l.d2 = 0,08.62,8.0,002.0,22.0,142 = 3,68.10-4 (m3/s) Vậy ta có: W1 = C.r.Q.Dt = 2.850. 3,68.10-4. Dt = 6,256.10-3 Dt Nhiệt lượng thoát qua thân ổ và trục trong 1s được tính như sau: W2 = K.p.d.l. Dt (KW) (6.12) Trong đó: K: Hệ số tỏa nhiệt qua thân và trục, K =0,04¸0,08 KW/m2. 0C Chọn K = 0,05 KW/m2. 0C W2 = K.p.d.l. Dt = 0,05.3,14.0,14.0,22.Dt = 4,8.10-3Dt Theo điều kiện cân bằng nhiệt ta có: W = W1 + W2 (6.13) 0,31 = (6,256.10-3 + 4,8.10-3) Dt => Dt = ( 0C ) Nhiệt độ trung bình của dầu tính theo công thức: (6.14) Giả thiết nhiệt độ trung bình của dầu là ttb = 45 ¸ 75 0C. Chọn ttb = 50 0C tvào + tra = 100 0C Vậy: 0C 0C Như vậy nhiệt độ khi vào và khi ra đều nằm trong phạm vi cho phép. tvào = 35 0C ¸ 45 0C tra = 80 0C ¸ 120 0C 7. Hiện tượng va đập thủy lực và cách khắc phục. 7.1. Hiện tượng va đập thủy lực. Khi ta đóng nhanh van kim, lưu lượng và lưu tốc trong ống dẫn nước áp lực sẽ thay đổi. Sự thay đổi lưu tốc trong ống dẫn nước gây nên sự thay đổi áp lực trong ống. Nếu thay đổi lưu tốc một cách đột ngột thì áp lực trong đường ống cũng thay đổi đột ngột. Sự thay đổi áp lực lúc tăng lúc giảm, xảy ra liên tục và tác dụng lên thành ống gây nên sự rung động thân ống, có khi phát ra những tiếng động dữ dội. Hiện tượng này gọi là hiện tượng va đập thủy lực. Tóm lại, va đập thủy lực là hiện tượng tăng hoặc giảm áp lực trong ống khi thay đổi đột ngột vận tốc dòng chảy trong nó. Nguyên nhân vật lý của sự tăng hay giảm áp lực do va đập thủy lực gây nên là quán tính của khối nước dang chảy trong ống. Khi ta đóng van kim của tuốc bin gáo, lưu lượng và lưu tốc của dòng chảy trong ống sẽ giảm dần do đó sinh ra lực quán tính. Theo nguyên lý Đa-lăm-be thì hướng của lực quán tính là ngược với hướng của gia tốc, do đó làm tăng thêm áp lực trong ống dẫn nước phía trước van kim gọi là nước va dương và làm giảm áp lực nước phía sau van kim (nước va âm). Ngược lại khi mở van kim của tuốc bin, lưu lượng trong ống tăng lên, chuyển động của dòng chảy trong ống là chuyển động nhanh dần, lực quán tính có hướng ngược với vận tốc dòng chảy, vì vậy mà trong ống phía trước van kim có hiện tượng giảm áp lực (nước va âm) và phía sau có hiện tượng tăng áp lực. 7.2. Ảnh hưởng của va đập thủy lực đối với chế độ làm việc của trạm thủy điện. Va đập thủy lực ảnh hưởng lớn tới tình hình làm việc của trạm thủy điện. Khi có va đập thủy lực, áp lực nước trong ống sẽ thay đổi, do đó làm thay đổi cột nước của trạm thủy điện. Sự thay đổi áp lực và cột nước do va đập thủy lực gây ra mặc dù mang tính chất nhất thời nhưng gay khó khăn cho việc điều khiển tuốc bin, bởi vì cột nước dao động sẽ gây dao động công suất của tuốc bin và còn làm thay đổi cả tốc độ quay của nó nữa. Thí dụ, giảm lưu lượng để giảm công suất của tuốc bin, nhưng vì lưu lượng giảm sẽ gây ra hiện tượng nước va dương, do đó cột nước tăng lên và có xu hướng tăng công suất của tuốc bin trong khoảng thời gian khi mới bắt đầu điều chỉnh và như vậy nó gây cản trở quá trình điều chỉnh. Sự dao động áp lực do va đập thủy lực gây nên làm tăng ứng suất trong buồng tuốc bin và đặc biệt trong thành ống dẫn. Đối với ống dẫn nước của trạm thủy điện có chiều dài lớn, trị số nước va dương có thể đạt tới trị số lớn gấp vài lần cột nước của trạm thủy điện. Để đảm bảo điều kiện chịu lực của vỏ ống cần phải tăng độ dày của thành ống độ dày buồng xoắn tuốc bin…do đó dẫn tới bất lợi về kinh tế. Nước va âm làm áp lực trong ống dẫn giảm xuống một cách đột ngột và do đó làm giảm cột nước, cản trở việc tăng kịp thời công suất của tuốc bin theo yêu cầu của phụ tải. Ngoài ra để tránh hiện tượng bẹp ống do áp lực trong ống hạ thấp hơn áp lực khí trời (trong ống xuất hiện chân không) cần phải bố trí đường ống dẫn ở phía dưới đường ống áp lực thấp nhất, do đó có khi đặt ống sâu dưới đất ở một vài đoạn trên tuyến ống. Vì vậy khối lượng công việc xây dựng sẽ tăng lên và giá thành công trình sẽ đắt hơn. 7.3. Các biện pháp làm giảm va đập thủy lực. Những vấn đề trình bày ở trên cho ta thấy va đập thủy lực có ảnh hưởng xấu đến khả năng chịu lực của các thiết bị thủy điện, áp lực trong đường ống, làm cản trở, gây khó khăn trong quá trình điều chỉnh công suất và tăng thêm nguy hiểm trong các trường hợp đóng tuốc bin vì sự cố. Vì vậy ta có những biện pháp để làm giảm va đập thủy lực như sau: - Biện pháp giảm chiều dài đường ống: khi đường ống dài có thể rút ngắn chiều dài ống chịu va đập bằng cách tạo mặt thoáng trên đường ống có áp khi xây buồng điều áp trên đường ống. Lúc này, chỉ đoạn ống có áp từ bình điều áp đến tuốc bin mới chịu áp lực va đập. - Biện pháp tăng thời gian đóng mở Ts tuốc bin: trong việc nghiên cứu qui trình đóng mở tuốc bin từ từ ta đã thấy cùng với việc kéo dài thời gian đóng mở, phản sóng nước va sẽ xóa bớt áp lực nước va làm giảm trị số nước va gián tiếp và loại trừ va đập thủy lực trong đường ống. - Biện pháp giảm tốc độ thay đổi vận tốc dòng nước: ở tuốc bin gáo ta dùng cơ cấu cắt dòng để cắt phần nước thừa khỏi vào bánh xe công tác để van kim đóng từ từ giảm va đập thủy lực trong vòi phun. - Tăng đường kính hay kích thước ngang đường ống 8. Lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng tuốc bin gáo. 8.1. Lắp đặt tuốc bin. * Cách lắp các bộ phận của vòi phun và các cơ cấu điều chỉnh tuốc bin: - Lắp phần thân vòi phun lên giá đỡ và nối với đường ống chính, tiếp theo là van kim, phần thân van kim nối với trục của động cơ thuỷ lực, sau đó lắp phần mũi vòi phun. - Lắp các bộ phận cơ cấu cắt dòng, các thanh đòn, các khớp của cơ cấu điều chỉnh động cỏ thuỷ lực và cơ cấu cắt dòng nối với bộ phận điều chỉnh của máy điều tốc. * Lắp trục và bánh xe công tác tuốc bin: - Lắp trục tuốc bin lên các ổ trượt rồi canh chỉnh, sau đó lắp bánh đà và lắp bánh xe công tác lên trục, trước đó là lắp ráp và canh chỉnh các gáo lên đĩa bánh xe công tác. Ta lắp ráp và canh chỉnh sao cho tâm của tia phun của dòng nước đúng vào đường kính bánh xe công tác và chính giữa dao chia hai nửa gáo. - Lắp máy điều tốc nối với trục tuốc bin bằng cách lắp trục nối với đĩa bánh xe công tác. - Lắp các bộ phận buồngtuôc bin, nắp tuốc bin. Sau đó lắp các đường dầu bôi trơn cho tuốc bin và các đường dầu có áp khác cho các bộ phận điều khiển tuốc bin. - Lắp đặt và canh chỉnh máy phát điện nối với trục tuốc bin. 8.2. Vận hành và bảo dưỡng tuốc bin. * Vận hành tuốc bin: - Trước khi vận hành cần phải kiểm tra dầu bôi trơn phải đủ và đúng, kiểm tra các thiết bị phụ kèm với tuốc bin. Sau đó trước khi mở van vòi phun cần phải chạy bơm điện để cung cấp dầu bôi trơn cho hệ thống, sau đó mở van kim từ từ cho dòng tia nước vào bánh xe công tác. - Trong quá trình vận hành cần phải theo dõi kiểm tra sự làm việc của các hệ thống các bộ phận. Kiểm tra nhiệt độ hệ thống làm mát máy phát điện, kiểm tra nhiệt độ dầu bôi trơn và áp lực dầu điều khiển. - Hệ thống thoát nước luôn làm việc tốt, không có hiện tượng tăng mức nước đột ngột ở hệ thống thoát nước. - Ở đường nước vào tuốc bin phải đảm bảo không có vật rắn, rác. - Luôn ổn định cột áp để đảm bảo cho tuốc bin có hiệu suất ổn định. - Tuỳ theo yêu cầu của phụ tải mà điều chỉnh cột áp hay hiệu suất tuốc bin để đảm bảo được hiệu quả kinh tế nhất. * Bảo dưỡng tuốc bin: - Làm vệ sinh sạch tuốc bin và các bộ phận máy móc. - Kiểm tra dầu bôi trơn ở các hệ thống tuốc bin, kiểm tra các vòng phớt dầu có bị rò rỉ không, kiểm tra các đường dầu có bị rỉ không. - Kiểm tra xem có chi tiết nào nứt gẫy để thay thế. Kiểm tra các khớp nối của các cơ cấu truyền động và dẫn động có nứt không, có mài mòn để tiến hành sửa chữa thay mới. - Kiểm tra độ rung rơ ở các gáo để tiến hành sửa chữa thay mới. Kiể - Kiểm tra độ rung rơ trục tuốc bin để tiến hành bảo dưỡng các ổ lăn. 9. Kết luận. Sau hơn ba tháng làm việc liên tục, ban đầu có hơi bối rối vì đề tài quá mới mẽ và mất nhiều thời gian cho việc tìm tài liệu đọc tìm hiểu nội dung của đồ án. Với cố gắng của bản thân và được sự giúp đỡ tận tình của giáo viên hướng dẫn em đã hoàn thành đề tài được giao. Vì khả năng có hạn tài liệu chuyên môn về tuốc bin lại rất ít do vậy chỉ tính được những phần cơ bản của đề tài được giao mà chưa giải quyết triệt để các nội dung liên quan đến đề tài như: - Các kích thước đường ống và tổn thất thủy lực trên đường ống. - Các đường đặc tính chính của tuốc bin Thời gian làm việc ít ỏi so với nhiệm vụ thiết kế, kiến thức thực tế về lĩnh vực này lại còn ít, do vậy đề tài này chắc hẳn còn nhiều thiếu sót. Rất mong các thầy cô giáo và các bạn thông cảm, bổ sung các sai sót để đề tài này được hoàn thiện. Em xin chân thành cảm ơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lê Phu. “Tuốc bin nước”. Bộ môn thuỷ điện trường đại học xây dựng, 1969. [2]. “Giáo trình tuốc bin thủy lực”. Trường đại học thủy lợi – Bộ môn thiết bị thủy năng. Nhà xuất bản xây dựng, 2008 [3]. Nguyễn Thượng Bằng – Hoàng Đình Dũng – Vũ Hữu Hải. “Thủy năng và điều tiết dòng chảy”. Trường ĐHXD. Nhà xuất bản xây dựng – Hà Nội, 2000 [4]. “Giáo trình thủy điện II”. Trường ĐHBK Đà Nẵng – Khoa xây dựng thủy lợi thủy điện, 2007 [5]. Nguyễn Trọng Hiệp – Nguyễn Văn Lẫm. “Thiết kế chi tiết máy”. Nhà xuất bản giáo dục, 2008 [6]. Nguyễn Phước Hoàng - Phạm Đức Nhuận - Đinh Ngọc Ái - Đặng Huy Chi. “Thuỷ lực và máy thuỷ lực, tập II”. Nhà xuất bản đại học và trung học chuyên nghiệp Hà Nội, 1972 [7]. Nguyễn Phước Hoàng - Phạm Đức Nhuận – Nguyễn Thạc Tân. “Thuỷ lực và máy thuỷ lực, tập I”. Nhà xuất bản đại học và trung học chuyên nghiệp Hà Nội, 1979