Thiết kế tuốc bin tâm trục và hệ thống thủy lực điều khiển quay cánh bánh hướng dòng

in, từ (2.7.3) ta thấy lưu lượng dòng chảy qua tuốc bin cơ bản phụ thuộc vào điều kiện chảy ra khỏi bánh xe công tác (góc b2) và ra khỏi cánh hướng dòng (góc a0) và độ mở a0, vào chiều cao cánh hướng dòng b0 và vận tốc góc w của bánh xe công tác. Khi giữ nguyên số vòng quay của tuốc bin ta có thể tiến hành thay đổi lưu lượng theo cách sau: quay cánh hướng dòng để thay đổi góc a0, độ mở cánh hướng dòng a0 khi vẫn giữ nguyên góc b2. Điều chỉnh lưu lượng tuốc bin bằng cách quay các cánh hướng dòng về nguyên tắc hoàn toàn khác với điều chỉnh bằng van lưỡi gà hay van chụp. Bởi vì việc điều chỉnh lưu lượng bằng van, ngoài việc thay đổi tiết diện dòng nước vào tuốc bin còn do tổn thất cục bộ khi dòng chảy đi qua van. Còn dòng chảy tại các cánh hướng dòng thì có tổn thất không đáng kể. Độ mở lớn nhất a0max của bộ phận hướng dòng khi các cánh có vị trí theo phương bán kính. Nếu tiếp tục quay cánh nữa, trị số cosa0 sẽ trở nên âm và theo (2.7.3) lưu lượng nói chung sẽ tăng mặc dù độ mở a0 của bộ phận hướng dòng lúc bấy giờ nhỏ hơn a0max. Tuy nhiên, lúc đó điều kiện chảy vào sẽ trở nên xấu hơn nhiều. Bây giờ ta xét sự phụ thuộc lưu lượng vào tốc độ quay. Muốn thế ta lấy đạo hàm phương trình (2.7.3) theo w ta được: (2.7.4) (2.7.5) Trong đó: > 0 Vì trong khu vực có số vòng quay bình thường, hiệu suất thay đổi rất ít khi số vòng quay biến động, nên có thể bỏ qua. Do đó (2.7.5) có thể viết ở dạng đơn giản hơn. (2.7.6) Trên cơ sở của phương trình điều chỉnh lưu lượng của tuốc bin ta sẽ tiến hành tính toán điều chỉnh lưu lượng cho tuốc bin thiết kế ở mục sau. 3. THIẾT KẾ TRỤC VÀ GỐI ĐỠ TRỤC 3.1. Thiết kế trục Trục là chi tiết dùng để đỡ các tiết máy quay hoặc truyền chuyển động và mômen từ các chi tiết lắp trên nó đến các chi tiết khác hoặc làm cả hai nhiệm vụ trên. Trục tuốc bin 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 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. 3.1.1. Chọn vật liệu chế tạo trục Trục thường làm bằng thép cacbon hoặc thép hợp kim. Đối với trục của những máy móc không quan trọng, không yêu cầu hạn chế kích thước có thể dùng thép CT5 không cần nhiệt luyện. Đối với trục làm việc trong những máy móc quan trọng, chịu tải lớn, có thể dùng thép 45 hoặc 40X có nhiệt luyện. 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 xe 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 xe 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 45 nhiệt luyện để tăng độ cứng cho trục, chống mài mòn trục. 3.1.2. Các lực tác dụng lên trục tuốc bin Để tính toán 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: + Lực dọc trục tác dụng lên ổ trục chặn của tổ máy. + Lực vòng do mômen xoắn gây ra. 3.1.2.1. Tính sơ bộ Để xác định đường kính sơ bộ, ta có thể bỏ qua tác dụng của tải trọng gây biến dạng uốn mà chỉ xét đến tải trọng của mômen xoắn trên trục. Đường kính sơ bộ của trục được xác định theo công thức: [4] (3.1.7) Trong đó: C: Hệ số tính toán, phụ thuộc vào ứng suất xoắn cho phép [t]x. Trục làm bằng vật liệu thép 45 nên ta có: [t]x = 20¸35 (N/mm2), tương ứng với C = 130¸110. Chọn C = 120. NTL: Công suất của tuốc bin. NTL = 714,44 (kW). nl: Số vòng quay lồng của tuốc bin. nl = 2754 (vòng/phút). Từ (4.7) ta có: (mm). Chọn D = 80 (mm). 3.1.2.2. Lực dọc trục tác dụng lên ổ trục chặn của tổ máy Sơ bộ ta tính lực doüc truûc Fz theo công thức sau : Fz= k1. (N) (3.1.8) Trong đó: D1: Đường kính tại cửa vào bánh xe công tác. D1 = 330 (mm). Hmax:: Cột áp lớn nhất. Hmax = 102 mH2O. k: Hệ số kinh nghiệm. Tra ở bảng 8.1 [2], k = 0,28 Suy ra : Fz= 0,28. = 2,44 (T) = 2,44.104 (N) Trọng lượng bánh công tác : (N) (3.1.9) Trong âoï : K : laì hãû säú thäúng kã, tra baíng IX-5 choün K=0,8 Vậy: (T) = 280 (N) 3.1.2.3. Lực vòng do mômen xoắn gây ra Lực vòng do mô men xoắn gây ra được tính theo công thức: (N) (3.1.10) Trong đó: D1: Đường kính tại cửa vào của bánh xe công tác. D1 = 0,330 (m). Mx: Mômen xoắn trên trục tuốc bin và được xác định theo công thức: (kN.m) (3.1.11) Trong đó: Ntl: Công suất của tuốc bin. Ntl = 714,44 (kW). h: Hiệu suất thủy lực của tuốc bin. h = 0,84. nl: Số vòng quay lồng của tuốc bin. Số vòng quay lồng được xác định như sau: Khi phụ tải tắt đột ngột bộ phận hướng dòng mà các cánh hướng dòng không kịp đóng lại thì số vòng quay của tuốc bin tăng lên đột ngột và qua một thời gian ngắn sẽ đạt giá trị cực đại, lúc đó máy sẽ quay lồng. Số vòng quay lồng là số vòng quay lớn nhất trong một phút. Trạng thái quay lồng chỉ xảy ra khi có sự cố bản thân bộ phận hướng dòng, hay bộ phận điều chỉnh hoặc khi tiến hành thí nghiệm quay lồng. Xác định số vòng quay lồng vì nó cần thiết cho các tính toán: + Độ bền các chi tiết bánh xe công tác và các bộ phận khác có liên quan đến trục quay. + Độ bền rôto máy phát điện. Số vòng quay lồng được đặc trưng qua đại lượng qui dẫn của chúng và được xác định theo công thức: [1] (3.1.12) Số vòng quay lồng qui dẫn n’Il được đặc trưng qua hệ số quay lồng Kl (3.1.13) Trong đó: +Tốc độ qui dẫn của tuốc bin n’I là tốc độ qui về điều kiện H = 1m, D = 1m và được xác định theo đường đặc tính tổng hợp chính: nI’= 50 (vg/ph) +Hệ số Kl này phụ thuộc vào hệ và kiểu tuốc bin, đối với tuốc bin tâm trục Kl = 1,7¸1,9. Ta chọn Kl = 1,8. Từ (3.1.13) ta có: (vòng/phút). Từ (3.1.12) ta có: (vòng/phút). Từ (3.1.11) ta có: (kN.m). Từ (3.1.10) ta có: (kN). 3.1.3. Tính sức bền trục 3.1.3.1. Chiều dài sơ bộ của trục Trục là chi tiết quan trọng của tuốc bin, do đó ta cần phải tính bền trục để đảm bảo cho trục làm việc an toàn Hình 3- 1 Chiều dài sơ bộ của trục tuốc bin 3.1.3.2. Tính toán læûc taïc dung lãn truûc vaì kiãøm tra bãön truûc. Trục chịu các lực : + Lực dọc trục + Mômen xoắn 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) (N) (N) Trong đó : g : trọng lượng riêng của vật liệu làm trục, g = 78 (kN/m3) L : chiều dài trục tuốc bin,chọn L = 1,02 (m) Vậy: (N) Tuäúc 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, mämen xoắn đồng thời. Càn cứ vào tính toán sơ bäü trục, chäø âàût gäúi âåî truûc nháûn læûc ta chia truûc ra hai âoaûn âãø tênh toaïn sæïc bãön ta có sơ đồ như sau. Xét mặt cắt thæï 1-1 : Theo sơ đồ: NZ1 = Gb + FZ+Gt1. Trong đó : Gt1 : Trọng lượng bản thân trục tại mặt cắt đang xét Gt1=251,7 (N). Gb = 280 (N). FZ = 24427 (N). Suy ra : NZ1=251,7 + 280 +24427 =24958,7 (N). Trục chịu keïo. Xét mặt cắt thứ 2-2 : NZ2 = - Gt2 = - 148,2 (N). Trục chịu neïn. Biểu đồ lực, ứng suất, mômen xoắn. s1== 0,073 (MN/m2). s2== -4,3.10-4 (MN/m2). 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] = 20 (MN/m2) s1 s2 Nz1 Nz2 Mx Hình 3 – 2 Biểu đồ lực, ứng suất, mômen xoắn tmax = (MN/m2) Trong đó: +W0 = = (m3). +Mx = 2950 (N.m) tmax = = 0,42 (MN/m2) std = = = 0,85(MN/m2) Với : [s] = 20(MN/m2).Vậy trục đủ bền. 3.2. Ổ đỡ 3.2.1. 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. Hình 3- 3 Ổ đỡ Việc chọn loại nào cho trục còn tuỳ 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, nãúu duìng äø làn thç tuäøi thoü tháúp hån. Kết cấu ổ trục đơn giản, dễ chế tạo, kích thước nhỏ gọn. Truûc coï âæåìng kênh khaï låïn trong træåìng håüp naìy nãúu duìng äø làn phaíi tæû chãú taûo ráút khoï khàn. Khả năng chịu được tải trọng va đập, làm việc êm. 3.2.2. 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. Tuỳ 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 thuỷ 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 và khe hở, gây nên áp suất thuỷ động bằng với tải trọng ngoài. Phương pháp bôi trơn thủy động được dùng nhiều hơn. 3.2.3. 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 nhưng cơ tính của nó không cao và giá thành đắt còn hợp kim kẽm chủ yếu là hợp kim AM10-5 có tính chất giảm ma sát tương đối tốt, dễ kiếm, dễ chế tạo và rẽ tiền nên được dùng nhiều hơn thay cho babít và đồng thanh. Nhưng hợp kim này có nhược điểm là chạy mòn không được tốt do đó dòi hỏi chế tạo chính xác cao và độ nhám bề mặt tốt, ngoài ra còn có hệ số nở dài rất lớn. Do tuốc bin ta thiết kế có công suất nhỏ, khối lượng và kích thước của các bộ phận như bánh xe công tác, trục tuốc bin đều nhỏ, đồng thời thỏa mãn tính kinh tế và vấn dề môi sinh nên ở đây ta chọn chất lỏng dùng để bôi trơn ổ trượt và trục tuốc bin là nước. 3.2.4. 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. 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỦY LỰC ĐIỀU KHIỂN QUAY CÁNH BÁNH HƯỚNG DÒNG 4.1. Nhiệm vụ Khi làm việc trong hệ thống điện lực, tổ máy mất tính độc lập của nó, nghĩa là yêu cầu của tổ máy phải xuất phát từ yêu cầu của hệ thống điện. Một trong những yêu cầu của các hộ dùng điện đối với hệ thống điện là phải đảm bảo được chất lượng điện, tức là điện thế và tần số của dòng điện xoay chiều chỉ được dao động trong phạm vi cho phép. Theo qui định của vận hành hệ thống điện hiện đại, tần số dòng điện không được chênh lệch quá (0,1¸0,2)% so với trị số định mức. 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 tâm 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, động cơ tiếp lực, để làm cơ cấu điều chỉnh các động cơ tiếp 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 động cơ tiếp 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. 4.2. Cấu tạo và đặc điểm của hệ thống điều chỉnh lưu lượng 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 ứng của cơ cấu điều chỉnh. Hệ thống điều tốc của tuốc bin gồm có các cơ cấu cơ bản sau đây: hình 4 – 1. Van điều phối Con lắc ly tâm Bộ phận đàn hồi Tuốc bin Động cơ tiếp lực Cơ cấu điều chỉnh Hình 4 - 1 Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh tuốc bin - 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 động cơ tiếp lực và ngăn kéo 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... 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. 4.3. Nguyên lý điều chỉnh lưu lượng 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. 4.3.1. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động trực tiếp Hình 4 - 2 Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy điều tốc tác động trực tiếp Trục quả lắc ly tâm cùng quay với trục máy phát điện (hoặc trục tuốc bin) 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 gắn liền với cửa van xuống, nên làm giảm độ mở cửa van hoặc bộ phận điều chỉnh lưu lượng tuốc bin, tức là giảm bớt mômen lực chuyển động Mđ để cân bằng với mômen lực cản Mc. Quá trình điều chỉnh dừng lại khi nào Mđ = Mc. Trong trường hợp này số vòng quay ổn định có lớn hơn số vòng quay ban đầu một ít. Khi phụ tải yêu cầu lớn hơn công suất tổ máy, năng lượng thiếu sẽ giảm 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 gắn liền cửa van lên nên tăng độ mở cửa van hoặc bộ phận điều chỉnh lưu lượng tuốc bin, tức là làm tăng mômen lực chuyển đông Mđ để cân bằng với mômen lực cản Mc và quá trình điều chỉnh sẽ dừng lại khi nào Mđ = Mc. Trong trường hợp này số vòng quay ổn định có nhỏ hơn số vòng quay ban đầu một ít. 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 tướng 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). - Hiệu suất tuốc bin giảm do tổn thất khá nhiều khi chảy qua van phẳng. 4.3.2. 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 động cơ tiếp 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. 4.3.2.1. 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), động cơ tiếp lực (3) và thanh nối (4) nối liền điểm O và cần piston của động cơ tiếp 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 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 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 số dưới van cho dầu áp lực đi vào phần bên phải của động cơ tiếp lực. Dưới áp lực của dầu, piston sẽ dịch chuyển về bên trái, về phía đóng bớt bộ phận hướng dòng. Còn ở phía bên trái piston 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 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. Hình 4 - 3 Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phục hồi cứng 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. 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. 4.3.2.2. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phục hồi mềm. Hình 4 - 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 động cơ tiếp 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. Vì vậy đối với tuốc bin thiết kế ta chọn máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phục hồi mềm. 4.4. Thiết bị dầu áp lực Để thao tác máy điều tốc tác động gián tiếp cần có hệ thống dầu áp lực làm nguồn cung cấp năng lượng, lấy dầu áp lực làm môi giới truyền lực cho động cơ tiếp 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 các động cơ tiếp lực của các van đĩa, van cầu, van tháo không,... Vì vậy nó là bộ phận trọng yếu của hệ thống điều chỉnh. Thiết bị dầu áp lực có nhiệm vụ cung cấp dầu áp lực cho tủ điều chỉnh tốc độ. Thiết bị dầu áp lực gồm có: bình chứa dầu áp lực, thùng chứa dầu, bơm dầu, rơle điều khiển và các phụ kiện khác. Trong bình dầu áp lực, dầu chỉ chiếm (30¸40)% thể tích, phần còn lại là không khí nén. Nhờ tính đàn hồi của không khí nén mà sóng áp lực sinh ra khi thao tác điều chỉnh tuốc bin được giảm đi rất nhiều. Lượng dầu và áp lực dầu trong bình chứa dầu đảm bảo cho các bộ phận thao tác điều chỉnh tuốc bin làm việc bình thường, nó là nguồn dự trữ năng lượng, nên giảm nhẹ được công suất bơm dầu. Trong quá trình làm việc dầu và không khí nén trong bình bị hao hụt do rò rỉ. Vì vậy phải đặt hai bơm dầu, một bơm làm việc còn một bơm dự trữ để bơm dầu từ thùng chứa dầu vào bình dầu áp lực. Còn không khí thì được các máy nén trong hệ thống khí nén cung cấp định kỳ. Do thao tác điều khiển động cơ tiếp lực, làm áp lực trong bình chứa dầu sụt xuống. Khi áp lực trong bình chứa dầu sụt xuống (2¸3) kG/cm2 so với bình thường thì các máy bơm hoạt động nhờ rơle áp lực. Khi áp lực đạt bình thường thì rơle tự động điều khiển dừng máy bơm. 4.5. Tính thiết bị điều chỉnh tốc độ 4.5.1. Khái quát về thiết bị điều tốc Trong thiết kế trạm thuỷ điện, sau khi đã xác định được tầm quan trọng của trạm trong hệ thống điện, cách bố trí các công trình đầu mối, chọn tuốc bin và máy phát điện, ta bắt tay vào chọn thiết bị điều chỉnh bao gồm việc chọn máy điều tốc và thiết bị dầu áp lực. Đối với tuốc bin nhỏ máy điều tốc và thiết bị dầu áp lực thường được nhà máy chế tạo cung cấp thành bộ do đó chỉ cần chọn máy điều tốc là đủ. Đối với tuốc bin cỡ trung bình và lớn máy điều tốc và thiết bị dầu áp lực được chế tạo riêng. Vì vậy chọn thiết bị điều tốc ở đây bao gồm ba nội dung: chọn máy điều tốc, chọn động cơ tiếp lực và thiết bị dầu áp lực. Do tuốc bin thiết kế ở đây có công suất nhỏ cho nên ta chọn thiết bị điều tốc nhỏ, toàn bộ thiết bị điều tốc bố trí chung thành bộ. Khi chọn thiết bị điều tốc, cần phải đảm bảo thiết bị điều chỉnh vận hành chắc chắn, làm việc nhanh nhạy, kết cấu đơn giản, giá thành rẻ, lắp ráp sữa chửa thuận tiện, thỏa mãn các yêu cầu về tự động hóa ... Thông thường, thiết bị điều tốc được chọn theo trình tự sau: - Tính toán đường kính động cơ tiếp lực và xác định dung tích của nó. - Xác định đường kính van điều phối chính và chọn máy điều tốc. - Xác định dung tích nồi dầu áp lực và chọn thiết bị dầu áp lực. 4.5.2. Động cơ tiếp lực Để quay cánh hướng nước thường dung các kiểu động cơ tiếp lực sau đây: - Động cơ chuyển động thẳng (tới lui) và tác dụng một bên (hình a) mỗi tuốc bin có một động cơ. Kiểu động cơ này dung để điều chỉnh tuốc bin cỡ nhỏ. - Động cơ chuyển động thẳng (lùi tới) và tác dụng hai bên (hình b), mỗi tuốc bin có hai động cơ. - Động cơ chuyển động thẳng, tác dụng hai bên, mỗi động cơ có hai piston và mỗi tuốc bin có hai động cơ. Kiểu này sử dụng để điều chỉnh tuốc bin cỡ lớn và động cơ được đặt ngay trên nắp tuốc bin (hình c). - Động cơ chuyển động vòng (hình d), động cơ được đặt ngay trên nắp tuốc bin. Hình 4 -5 Các kiểu động cơ tiếp lực Tính động cơ tiếp lực cho bộ phận hướng dòng. Thông số chủ yếu để tính động cơ tiếp lực là lực đẩy cần thiết để đóng mở bộ phận điều chỉnh lưu lượng. Lực đẩy này do ba yếu tố sau đây quyết định: - Mômen thủy động của nước tác dụng lên bộ phận hướng dòng và cánh bánh xe công tác. - Lực ma sát giữa các bộ phận điều chỉnh lưu lượng. - Lực dự trữ cần thiết để bộ phận điều chỉnh lưu lượng chuyển động với tốc độ yêu cầu. Vì tuốc bin ta thiết kế có công suất và kích thước nhỏ nên để đơn giãn về mặt kết cấu kỹ thuật cũng như tính kinh tế ta chọn kiểu động cơ tiếp lực chuyển động thẳng (tới lui) và chuyển động một bên (hình a). 4.5.3. 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 tuìy theo độ mở của cánh.Trị số của lực này phụ thuộc vào kích thước hình dạng cánh, cột nước và độ mở ao. Khi đóng hoàn toàn cánh hướng dòng lúc này áp lực tác dụng lên cánh là áp lực thuỷ 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 thuỷ tĩnh. Áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên cánh : Pt= g.H.Lo.b0 . (4.5.3.1) Pt : Áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên cánh (N). g : Trọng lượng riêng của nước g = 9,81.103 N/m3 H : Cột áp tính toán. H= 102 (m) Lo : Chiều dài hai điểm tiếp xúc của cánh. b0 : chiều cao của cánh hướng dòng b0 = 0,0825 (m) Trong công thức trên ta chỉ xét. Cánh chịu lực ổn định, chịu tải trong 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. Pd= s.Pt (N) (4.5.3.2) Trong đó : Pd  : AÏp lực tác dụng lên cánh có tính đến độ tăng cột áp s : Hệ số tăng bền cho cánh Chiều dài cánh tại vị trí tiếp xúc được xác định bằng công thức sau Lo = = 0,05 (m) Thay các giá trị đã có và vừa tìm được vào công thức (4.5.3.1) ta được Pt = 9,81. 103 .102.0,05.0,0825 = 4127,5 (N) Hình 4 - 6 Sơ đồ tính toán lực cánh hướng dòng Mômen tác dụng lên cánh Mo = Pt. ro (N.m) (4.5.3.3 ) 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 Pd so với trục quay của cánh hướng dòng, chọn no= 0,05 Suy ra r0 = e0 = n0.L0= 0,05.0,05 = 2,5.10-3 (m) Từ đó Mo = Pt.ro = 4127,5.2,5.10-3= 10,32 (N.m) Chọn hệ số an toàn cánh: s = 1,25 Pd= d.Pt= 1,25.4127,5 = 5159,37 (N) Md= d.M = 1,25.10,32 = 12,9 (N.m) 4.5.4. 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 thuỷ tĩnh bỏ qua phần áp lực do sự va đập thuỷ lực gây ra khi đóng mở đột ngột cánh hướng dòng. P = g.H.Lo.bo. Kết quả lực P theo tính toán ở trên ta có: Pt = 4127,5 (N) Pt: Áp lực thuỷ 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%Pt. Pd = 1,25.Pt = 5159,37 (N) Mômen tác dụng lên cánh khi xét đến trường hợp nguy hiểm. Md= d.M = 1,25.10,32 = 12,9 (N.m) Md : là mô men tác dụng lên cánh do áp lực nước gây ra có xét đến áp lực thuỷ động. Hay nói cách khác là vành điều chỉnh thông qua cơ cấu tay biên cần phải tạo ra một mômen lớn hơn hoặc bằng Mtl để mở cánh hướng dòng. Phân tích lực tác dụng lên các khâu. Hình 4 - 7 Sơ đồ 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 âặt phản lực lên các khâu. Ta có: F = (N) Đo góc a,b trên sơ đồ ta được a = 280, b = 150 F1 = F tgb = 391.cos150 = 104,77 (N) F2= F1.Cosa = 104,77.cos280 = 92,5 (N) Ở trên lực F2 chỉ xét cho một cánh .Bộ phận hướng dòng có 24 cánh lúc này lực tổng hợp tác dụng lên vành điều khiển là: SF2= F2.24 SF2 = 92,5.24 = 2220 (N). Các lực tác dụng lên cánh tạo một mômen M0 đối với tâm của vành điều chỉnh. Mo= SF3.(L3+R1) Mo = 2220.()= 528,36 (N.m) SF3 ,Mo là lực và mômen cần thiết để quay vành điều chỉnh. Vậy để tạo ra Mo thì cơ cấu dẫn động (động cơ tiếp lực ) phải tạo ra một mômen (hay một lực). Gọi lực do động cơ tiếp lực tạo ra là .Từ đó được tính: = Suy ra = = 705,4 (N) Âãø quay âæåüc baïnh hæåïng doìng thç âäüng cå tiãúp læûc phaíi taûo ra mäüt læûc ≥ 705,4 (N) Động cơ tiếp lực của bộ phận hướng dòng dùng để quay cánh hướng dòng thông qua vành điều chỉnh. Do tuốc bin thiết kế nhỏ nên chỉ dùng một động cơ tiếp lực. Đường kính dH động cơ tiếp lực của bộ phận hướng dòng tính toán theo công thức sau: [1] (m) (4.5.3.4) Hình 4 - 8 Cơ cấu điều khiển bánh hướng dòng Trong đó: D1: Đường kính tại cửa vào của bánh xe công tác. D1= 0,330m. Hmax: Cột nước lớn nhất. Hmax = 102m H2O : Chiều cao tương đối cánh hướng dòng so với đường kính bánh xe công tác. Trong đó: b0: Chiều cao cánh hướng dòng. b0 = 0,0825 (m). Þ A1: Hệ số xét đến mối liên hệ chuyển động giữa cánh hướng dòng và vành điều chỉnh. A2: Hệ số xét đến độ lệch tâm và số lượng cánh hướng dòng. A3: Hệ số xét đến mômen cần thiết để khép chặt các cánh hướng dòng. Theo bảng XIII-2 của [1] ta có: A1 = 0,0492; A2 = 0,0217. A3 = 0,00108. Từ (4.5.3.4) ta có: dH = 0,055 (m). Căn cứ vào quan hệ giữa độ dời của piston động cơ tiếp lực và vành điều chỉnh để tính độ dời lớn nhất của động cơ tiếp lực SH sao cho góc quay của vành điều chỉnh có thể đảm bảo cánh hướng dòng đạt độ mở lớn nhất a0max. Theo công thức kinh nghiệm, độ dời lớn nhất SH của piston động cơ tiếp lực: SH = (1,4¸1,8).a0max Độ mở của cánh hướng dòng thực tế a0, được xác định theo công thức [1]: Trong đó: + D0 : Đường kính vòng tròn qua trục các cánh hướng dòng, D0 = 383 (mm) + Z0: Số lượng cánh hướng dòng, Z0 = 24 + D0M = 534 (mm) và Z0M = 24 cho ở bản vẽ mô hình tuốc bin cùng với đường đặc tính tổng hợp chính. + aM: Độ mở cánh hướng dòng tuốc bin mô hình, aM = 20 (mm) Vậy: Suy ra: (mm) Chọn SH = 20 (mm) Dung tích của động cơ tiếp lực VH = 4,75.10-5 (m3). 4.6. Tính chọn máy điều tốc 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 động cơ tiếp lực sao cho trong quá trình điều chỉnh, lượng dầu này đảm bảo piston động cơ tiếp 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 động cơ tiếp lực. dv = d0 Lượng dầu qua van điều phối chính có thể xác định theo công thức: (4.6.1) Trong đó: VH: Dung tích của động cơ tiếp lực của bộ phận hướng dòng. Td: Thời gian đóng của động cơ tiếp lực. Td = (2¸3)s. Từ (4.6.1) ta có: (m3/s) Do đó đường kính ống dẫn dầu từ van điều phối đến động cơ tiếp lực là (4.6.2) Trong đó: v: Vận tốc dầu chảy trong ống. v = (4¸8) m/s. Chọn v = 5 (m/s). Từ (4.6.2) ta có: (m) 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. Do tuốc bin thiết kế công suất nhỏ có thể xác định khả năng làm việc của động cơ tiếp lực của bộ phận hướng dòng theo công thức đơn giản sau: (4.6.3) Trong đó: N: Công suất tuốc bin. N =714,44 (kW). H: Cột nước. H = 102 (mH2O). k: Hệ số. k = 1,4. Từ (4.6.3) ta có: Þ A = 89,94 (KG.m) Do năng lực làm việc của thiết bị nhỏ nên ta chọn cơ cấu điều chỉnh tốc độ cho tuốc bin là máy điều tốc có bộ phận phục hồi mềm và điều chỉnh đơn. 4.7. Tính chọn thiết bị dầu áp lực Sau khi đã xác định được dung tích của động cơ tiếp lực, ta căn cứ vào đó để chọn thiết bị dầu áp lực, cơ bản là của nồi dầu. Dung tích này xác định theo công thức kinh nghiệm sau đây: [1] VN-H = 18.VH = 18.4,75.10-5 = 8,55.10-4 (m3) Giả sử thùng chứa dầu có dạng hình trụ tròn có đáy là hình tròn đường kính D, chiều cao là b thì ta có: Chọn b = 150 (mm) thì D = (m) = 85 (mm). 4.8. Sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc hoạt động 4.8.1. Sơ đồ nguyên lý: 1: Quả văng 2: Lò xo 3: Bình hoãn xung 8: Động cơ tiếp lực 9: Bơm dầu 10: Thùng dầu 11: Van an toàn 12: Thùng dầu áp lực 13: Cơ cấu biến tốc 4: Van điều phối 5: Cơ cấu hạn chế độ mở 6: Cơ cấu điều chỉnh 7: Bộ phận hướng dòng Hình 4 – 9 Sơ đồ hệ thống thủy lực 4.8.2. Nguyên lý hoạt động Trong sơ đồ trên, trục của quả lắc ly tâm cùng quay với trục máy phát điện hay trục tuốc bin thong qua bộ phận truyền động. Khi số vòng quay của tổ máy ổn định thì số vòng quay của quả lắc ly tâm sẽ không thay đổi. Khớp A cũng như đòn AOB ở vị trí cân bằng nên van điều phối ở vị trí giữa, còn piston 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, lúc đó năng lượng thừa sẽ biến thành động năng làm tăng số vòng quay của tổ máy, số vòng quay của quả lắc ly tâm cũng tăng lên, do đó hai quả lắc cũng bị đẩy ra xa và kéo khớp A di 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 cửa sổ dưới van cho dầu áp lực đi vào phần bên phải của động cơ tiếp lực. Dưới áp lực của dầu, piston sẽ dịch chuyển về bên trái làm đóng bớt bộ phận hướng dòng. Còn dầu ở phía bên trái piston vì không có áp lực sẽ bị đẩy ra ngoài theo đường 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, 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 dịch về phía bên trái, điểm O của đòn AOB chuyển dịch lên phía trên cùng với bộ phận phục hồi mềm sẽ nén lò xo (2) lại. Sở dĩ như vậy là vì quá trình xảy ra rất nhanh, nên dầu ở phần dưới không kịp chui qua lỗ nhỏ để lên phần trên của đĩa piston của bình hoãn xung (3). Do đó khi piston của động cơ tiếp lực dịch về bên trái, piston và xilanh của bình hoãn xung cũng bị đẩy lên phía trên nâng điểm O lên để đưa piston của van điều phối về vị trí ban đầu. Nhưng sau đó dưới tác dụng của 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 điểm O và do đó cả cần AOB trở về vị trí ban đầu. Vì vậy sau khi điều chỉnh, số vòng quay của tổ máy sẽ trở về số vòng quay ban đầu ( bằng với số vòng quay định mức). Quá trình làm việc của máy điều tốc này khi phụ tải tăng xảy ra tương tự như khi phụ tải giảm nhưng theo chiều ngược lại. Ngoài ra để đồng bộ tổ máy vào hệ thống điện cần phải điều chỉnh số vòng quay của tổ máy sao cho tần số của máy phát đúng với tần số của lưới điện hệ thống còn có cơ cấu biến đổi số vòng quay bằng cách thay đổi phụ tải do may đảm nhận. Để hạn chế công suất của tuốc bin đến một giới hạn mong muốn, cũng như điều khiển tuốc bin bằng tay, còn có cơ cấu hạn chế độ mở. 5.LẮP RÁP, VẬN HÀNH VÀ BẢO DƯỠNG TUỐC BIN 5.1. Lắp ráp 5.1.1. 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 hòm 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. 5.1.2. Lắp thiết bị Việc lắp thiết bị phải làm từ các bộ phận chôn trong nền móng trước theo thứ tự sau: +Lắp ống nước ra: 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 bệ 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. +Vỏ xoắn Căn theo ống nước vào, bệ 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 bệ cho thăng bằng và sơ bộ xiết bulông móng. Đặt buồng xoắn vào vị trí, điều chỉnh mặt bích buồng xoắn và mặt bích ống co dãn tương đối khớp, các tấm căn dưới chân bệ tuốc bin cho thật ngay thẳng. Lắp gioăng hai phía ống co dãn xiết bulông nối giữa ống co dãn và buồng xoắn; giữa buồng xoắn và bệ tuốc bin. 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. +Đặt các gối đỡ tuốc bin lên bệ tuốc bin và xiết bulông bệ. +Tháo nắp đậy và phần tấm ống lót của hai gối. +Lắp nắp sau tuốc bin vào buồng xoắn và xiết bulông. Lắp cánh hướng, vành điều chỉnh vào nắp sau, bắt các tấm chặn vành điều chỉnh theo chiều hướng trục. +Lắp nắp trước tuốc bin vào buồng xoắn (chú ý điều chỉnh độ đồng tâm của các cánh hướng giữa nắp trước và sau) sao cho cánh hướng quay nhẹ nhàng; sau đó xiết chặt bu lông vào buồng xoắn. +Lắp các vòng bít nước vào cổ cánh hướng (chú ý xiết các bulông vừa phải để sao cho cánh hướng quay nhẹ nhàng không bị kẹt). +Lắp tay biên lên cánh hướng và chốt chống xoay (lúc này cánh hướng đóng hoàn toàn). +Lắp thanh truyền lên tay biên và vành điều chỉnh. +Kiểm tra khoảng cách các gối đỡ và tâm buồng xoắn, xác định cao trình và hiệu chỉnh độ đồng tâm của các gối đỡ và tâm buồng xoắn. +Đặt rôto lên hai gối trục (rôto chưa lắp bánh xe công tác và đầu hãm trục) kiểm tra khe hở các ổ đỡ của gối trục và thân xem có đúng chế độ lắp ghép không. +Lắp bánh xe công tác vào đầu trục và xiết êcu hãm. +Kiểm tra khe hở hướng tâm giữa bánh xe công tác và phần tĩnh của tuốc bin. Nếu kích thước đó sai lệch quá lớn so với trong bản vẽ thì hiệu chỉnh lại độ đồng tâm giữa các gối trục và tâm buồng xoắn. +Đổ bê tông đợt II cho móng tuốc bin và các gối đỡ. +Đặt bệ máy phát vào vị trí và sơ bộ xiết bu lông móng chưa đổ bê tông đợt II. Kiểm tra độ không phẳng của bệ không quá 0,05mm/m. +Đặt máy phát lên bệ, điều chỉnh sơ bộ, chèn kê khỏi chạm sát rôto, xiết bu lông vào bệ máy. +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 nắp trung gian và gioăng vào nắp trước tuốc bin. +Lắp đoạn ống trung gian và xác định độ đồng tâm và cao trình của tổ máy. +Lắp hệ thống đường ống làm mát và nước thải. +Lắp máy điều tốc. +Lắp máy kích thích. +Đổ bê tông đợt II cho tất cả các thiết bị, ống hút, chân đế buồng xoắn, bệ máy phát, dàn néo ống hút côn dưới hầm. +Kiểm tra xiết lần cuối tất cả các bu lông. +Tra dầu vào bình dầu gối tuốc bin (dầu tuốc bin 30). 5.1.3. Những điểm cần lưu ý khi lắp ráp +Vòng bít trục cánh hướng không được xiết quá chặt. Khi lắp nước không dò là được. +Bu lông để xiết vòng bít trục cánh hướng sau khi đã vặn chặt rồi phải vặn ngược lại 1/4 vòng. +Bu lông vòng của nắp gối đỡ tuốc bin chỉ dùng để cẩu nâng nắp khi lắp ráp. Thân gối khi cẩu, dùng dây cáp luồn vào dưới, chú ý giữ cho cân bằng. +Khi nâng trục đưa vào lắp ráp nhờ vòng cáp hai bên bánh đà, lưu ý giữ cho cân và tránh sây sát với bề mặt trục. 5.1.4. Chạy thử Sau khi lắp đặt xong cũng như sau các kỳ đại tu máy phải tiến hành chạy thử theo quy trình sau: 5.1.4.1. 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. +Cho nước vào buồng xoắn, mở van xả khí ở buồng xoắn để xả khí hết khí thì đóng lại. +Mở van cho nước vào bộ phận làm mát. +Cho tuốc bin chạy trong một giờ với số vòng quay 450 vòng/phút. 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. 5.1.4.2. 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 400 vòng/phút; 500 vòng/phút; 650 vòng/phút; 750 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. 5.2. Vận hành 5.2.1. 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 750 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. 5.2.2. 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. Ngoài những chỗ quy định bôi dầu mỡ, những chỗ còn có chuyển động ma sát 5 ngày cho dầu tuốc bin 30 một lần. +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. 5.2.3. Dừng máy +Trước khi ngừng phải cắt cầu dao chính. +Đóng cánh hướng và van trước tuốc bin. +Cho tốc độ quay giảm dần xuống. 5.2.4. 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 gối 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 xe công tác bị kẹt, công suất thấp. +Máy phát bị sự cố. Khi tổ máy quay lồng, phải đóng ngay van đĩa. Tổ máy quay lồng khi máy phát mất tải, bộ phận tín hiệu tốc độ quay mất nhạy cũng phải đóng van đĩa trước. Ổ 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. 5.3. Bảo dưỡng 5.3.1. 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. +Ba ngày bổ sung dầu vào gối trục một lần và kiểm tra xem nước có lẫn vào không. +Cứ 2000 giờ vận hành thì thay dầu vào gối trục một lần. 5.3.2. Thay thế phụ tùng mau mòn chóng hỏng +Thay vòng bít gối trục: vòng bít làm bằng cao su chịu dầu, nỉ hoặc tết sợi luộc với mỡ bò, có tác dụng làm kín. +Thay vòng bít ổ làm kín nước ổ trục tuốc bin và ổ cánh hướng. Nếu có hiện tượng nước dò ra mà sau khi xiết các bu lông ép chặt mặt bích mà vẫn dò thì phải thay. +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. 5.3.3. Đại tu tuốc bin Thông thường 2¸3 năm đại tu máy một lần. 5.3.3.1. Gối trục Sau một thời gian dài làm việc, bạc trên gối trục bị mòn, khe hở lớn ảnh hưởng đến ổn định của máy, gây rung phải chỉnh cân lại bằng cách cạo rà bạc. Rửa sạch các ống làm mát. 5.3.3.2. Đại tu bộ cánh hướng 24 cánh hướng có thể mòn khác nhau, có thể sửa bằng phương pháp dũa. Thay thế các bạc trục cánh hướng. 5.3.3.3. Đại tu bánh xe công tác Chỗ hỏng nặng nhất là mép thoát nước, phía mặt áp lực cao của lá cánh do bị xâm thực. Nếu các lỗ rỗ tương đối nhỏ ta có thể cho đoạn giây đồng vào rồi tán chặt. KẾT LUẬN Sau 15 tuần làm đồ án với đề tài thiết kế tuốc bin tâm trục và hệ thống thủy lực điều khiển quay cánh bánh hướng dòng. Ban đầu hơi bối rối vì trong chương trình học không đi sâu vào tuốc bin nhưng nhờ có sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn cộng với sự cố gắng của bản thân em đã hoàn thành đề tài được giao. Khi làm đề tài, do thực tế em còn ít nên dựa vào sách vở và kiến thức được thầy cô truyền đạt là chủ yếu. Vì khả năng có hạn, tài liệu chuyên môn về tuốc bin lại rất ít do vậy em chỉ hoàn thành những phần cơ bản đề tài được giao mà chưa giải quyết triệt để các nội dung liên quan đến đề tài. Qua đề tài đã bổ sung cho em nhiều kiến thức về chuyên môn giúp ích cho công việc sau này. Thời gian làm việc ít ỏi so với yêu cầu đề tài đặt ra, do vậy đề tài chắc hẳn còn nhiều thiếu sót. Rất mong các thầy cô và các bạn bổ sung các sai sót để đề tài này hoàn thiện. Em xin chân thành cảm ơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lê Phu. “Tuốc bin nước”. Nhà xuất bản Đại học xây dựng; 1971. [2]. “Giáo trình tuabin thủy lực” . Trường Đại Học Thuỷ Lợi. Bộ môn Thiết bị thủy năng. Hà Nội: Nhà xuất bản xây dựng; 2004. [3]. Đinh Ngọc Ái. “Thủy lực và máy thủy lực tập 2”. Hà Nội: Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp; 1972. [4]. Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm. “Thiết kế chi tiết máy”. Nhà xuất bản giáo dục; 2001. [5]. Bùi Trọng Lực. “Sức bền vật liệu”. Hà Nội: Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp; 2001. CÁC BẢN VẼ THIẾT KẾ Bản vẽ tổng thể Bản vẽ máy phát điện Bản vẽ bánh công tác Bản vẽ buồng xoắn 5. Bản vẽ ống hút 6. Bản vẽ bộ phận hướng dòng 7. Bản vẽ trục 8. Bản vẽ hệ thống thủy lực điều khiển quay cánh bánh hướng dòng