Giáo trình Tua bin thủy lực

 những chỗ đó lưu tốc rất lớn áp 
lực hạ thấp dần đến khí thực khe hở. 
6.2. Nguyên nhân 
 Ở một vùng nào đó vì áp lực hạ thấp trong dòng chảy xuất hiện những bọt 
khí và hình thành dòng nước sôi có tác dụng xâm thực bề mặt kim loại đó là hiện 
tượng khí thực. 
Dòng nước chảy sôi sục là do dòng nước hoá thành hơi, nó liên quan tới nhiệt độ 
và áp lực khí quyển tại nơi ấy. Khi áp lực là 1 atmôtphe (tương ứng với 10,33m 
cột nước) nước hoá hơi ở 1000C nhưng nếu áp suất giảm xuống 1,26m cột nước, 
nước hoá hơi ở 500C. Như vậy dưới một nhiệt độ nhất định nào đó áp lực làm cho 
nước bắt đầu hoá thành hơi gọi là áp suất hoá hơi. Quan hệ giữa nhiệt độ và áp 
suất hoá hơi cho ở bảng (5.1). 
 Nhiệ
t độ nước sông thiên nhiên thường từ 00  200C. 
Dòng chảy qua phần dẫn tuabin luôn thay đổi vận tốc và áp suất. Tại một số vùng 
nhất định áp suất sẽ hạ rất thấp đến giá trị áp suất hoá hơi – nước sôi tạo thành 
các bọt hơi nước và không khí có tác dụng xâm thực bề mặt kim loại mà chủ yếu 
là tác dụng cơ học thứ đến là tác dụng hoá học và tác dụng điện hoá. 
a. Tác dụng cơ học. 
Trong bộ phận nước qua của tuabin tồn tại áp lực chân không cục bộ. Đó là điều 
kiện cơ bản hình thành khí thực. Khi dòng nước đi qua BXCT, lưu tốc rất lớn nếu 
mặt ngoài cánh nhám, không nhẵn hoặc hình dạng cánh tuabin không hợp với 
hình đường chảy đều có thể làm cho dòng chảy bị phá hoại. Dựa vào phương 
trình Bécnuly, lưu tốc tăng lên thì áp lực hạ xuống. Nếu áp lực hạ xuống tới áp 
lực hoá hơi thì dòng nước bắt đầu sôi. Chỗ cục bộ nào đó trong tuabin do áp lực 
thấp sinh ra bọt hơi có chứa hơi nước và không khí. Khi bọt hơi xê dịch tới vùng 
áp suất cao, hơi nước lập tức ngưng tụ lại thành nước, hình thành vùng chân 
không trong bọt khí. Dưới áp lực cao nước ở xung quanh ép vào trung tâm bọt khí 
với tốc độ rất mạnh tạo nên áp lực nước va rất lớn (hình 5.1) làm cho bọt hơi bị 
 55 
co ép mãnh liệt. Sau đó cũng tại tâm các bọt khí này nước nước bị nén đột ngột 
lại có xu thế muốn dãn nở, sau đó lại tái diễn quá trình ép co giãn nở. 
b)Tác dụng hoá học. 
Khi bọt khí bị nén ở vùng áp lực cao sẽ có toả nhiệt. Người ta đã làm thí nghiệm 
và đo được nhiệt độ trong các bọt khí khi bị nén đạt tới 2300C. Tác dụng hoá học 
làm ăn mòn kim loại là do phản ứng ôxy hoá khi không khí (chứa ôxy) bị tách ra 
khỏi nước. Nhiệt độ nước càng lớn thì quá trình ôxy hoá càng mạnh. Nhưng 
nguyên nhân chính làm cho kim loại bị ăn mòn chủ yếu vẫn là do tác dụng cơ học 
thể hiện ở sự chấn động diễn ra trên bề mặt phần qua nước của tuabin: Bởi vì 
ngay cả đối với các vật liệu có tính ổn định hoá học tốt như thủy tinh v.v... vẫn bị 
phá hoại bởi tác dụng khí thực. 
c)Tác dụng điện hoá: 
 Khi bọt khí bị nén trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao làm cho giữa các 
bộ phận nước qua của tuabin có sự chênh lệch về nhiệt độ (do khí thực) hình 
thành các pin nhiệt điện. Dưới tác dụng của hiện tượng điện phân xẩy ra trên bề 
mặt kim loại và hiện tượng phóng điện trong các bọt khí sẽ gây nên sự ăn mòn 
kim loại. 
6.3. Tác hại 
 Hiện tượng khí thực trong tuabin thường dẫn đến các tác hại sau đây: 
- Làm giảm hiệu suất và công suất tuabin. Sự giảm công suất tuabin không 
những chỉ do sự giảm hiệu suất mà còn do cả sự giảm khả năng thoát nước của 
tuabin. 
- Làm hư hỏng các phần nước qua của tuabin. Nếu hư hỏng với mức độ nghiêm 
trọng sẽ buộc phải dùng máy để sửa chữa và làm giảm lượng điện phát ra của 
TTĐ. 
- Máy rung và có tiếng ồn, hiện tượng rung động có thể lan sang cả phần nền 
móng của nhà máy TTĐ. 
7. Các biện pháp phòng chống khí thực: 
 56 
7.1. Biện pháp thiết kế 
7.2. Biện pháp chế tạo 
Một trong các biện pháp bảo vệ các bộ phận của phần nước qua của tuabin khỏi 
bị phá hoại do tác dụng khí thực là chọn hợp lí các nguyên vật liệu chế tạo. 
Chẳng hạn, đẻ chế tạo phần nước qua của tuabin cột nước vừa và cao ( cánh 
BXCT, buồng BXCT tuabin dọc trục, BXCT tuabin tâm trục, cánh hướng nước) 
có thể sử dụng kim loại sau đây: thép ít cácbon có phủ ngoài một lớp hợp kim có 
tính ổn định về mặt khí thực; cánh BXCT làm bằng thép không gỉ. Thép hợp 
kim mang nhãn hiệu (kí hiệu của Liên Xô) 20CЛ chứa các thành phần sau đây: 
C = 0,16  0,22%; Mn = 1  1,3%; Si = 0,6  0,8%;; hoặc dùng thép không gỉ 
mang nhãn hiệu 20 x 13H-ậ (C = 0,17  0,23%; Cr = 12  14%; Ni = 0,6  1%; 
Mn = 0,5  
0,8%; Si = 0,7%). 
Hiện nay ở Nga các ngành chế tạo tuabin dùng rộng rãi thép không gỉ và thép 
chứa ít các bon: 0 x 12HÄ ( C  0,1%; Cr = 12  13,5%; Ni = 1  1,5%; Cu = 
1  1,3%; Mn 
= 0,2  0,64%; Si = 0,4%). Thép không gỉ 20 x 13H- ậ có ưu điểm là tính chất 
hoá họ tốt, chống khí thực tốt nhưng khó hàn, còn thép hợp kim 0 x 12HД thì dễ 
hàn hơn nếu dùng để chế tạo BXCT kiểu hàn. 
7.3. Biện pháp vận hành. 
- Duy trì tuabin làm việc ở chế độ không khí thực hoặc khí thực chỉ biểu hiện ở 
mức độ nhẹ. 
- Dẫn không khí vào phía dưới BXCT để làm giảm bớt khí thực xoang và giảm 
 57 
áp lực mạnh động. Nếu không khí được dẫn đúng nơi và số lượng không khí vừa 
phải thì có thể làm giảm độ rung máy. 
 Chương 4: Bộ điều chỉnh của tua bin thủy lực 
 Mục tiêu: 
 Học xong chương này người học có khả năng: 
 - Giải thích được khái niệm, sự cần thiết, nguyên tắc điều chỉnh tua bin; 
 - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc của các loại máy điều tốc, các 
 thiết bị dầu áp lực, các loại động cơ tiếp lực vv.. 
 - Vẽ được sơ đồ cấu tạo, trình bày được nguyên lý làm việc của các loại máy 
 điều tốc, các thiết bị dầu áp lực, các loại động cơ tiếp lực vv.. 
 Nội dung: 
1. Khái niệm chung 
1.1. Hệ thống điều tốc tuabin 
Đối với lưới điện hiện đại, yêu cầu tần số điện không đổi (50Hz hoặc 60Hz), hay 
nói chính xác hơn, phạm vi biến đổi rất nhỏ, dưới 0,1%. Vì vậy nó đòi hỏi tốc độ 
quay của tuabin không được thay đổi. Song, khi phụ tải thay đổi, mômen (tương 
ứng với công suất phát của tuabin) và mômen cản (tương ứng với phụ tải) sẽ mất 
cân bằng, làm tốc độ quay của tuabin thay đổi. 
 Muốn giữ tốc độ quay của tuabin không đổi, phải tạo nên cân bằng mới giữa 
mômen quay và mômen cản, tức là phải thay đổi công suất phát để nó 
tương ứng với trị số phụ tải mới. Để thay đổi công suất trên trục tuabin, người ta 
 Hình 3-5: 
thường thay đổi lưu lượng qua tuabin bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng dòng 
 58 
của tuabin phản kích, hay thay đổi độ mở vòi phun của tuabin xung kích. 
 Việc tăng giảm độ mở tuabin để thay đổi công suất hay dừng máy có thể 
thao tác bằng tay khi yêu cầu chính xác của tần số điện không cao và lực đóng mở 
tuabin không lớn, tức chỉ được dùng ở trạm thuỷ điện nhỏ. 
 Để đảm bảo chất lượng điện đưa lên lưới (gồm điện áp và tần số) cũng như 
để đảm bảo yêu cầu dừng máy cấp tốc người ta phải tiến hành thao tác điều chỉnh 
tuabin một cách tự động, tức bộ phận điều chỉnh lưu lượng qua tuabin phải được 
thao tác bằng các động cơ secvô có lực thao tác lớn nhờ áp lực dầu từ các ống dẫn 
dầu áp lực. Dầu áp lực này được cung cấp từ thiết bị dầu áp lực và được điều 
khiển, khống chế từ thiết bị điều tốc. Ba bộ phận này hợp lại thành hệ thống điều 
chỉnh tự động tốc độ quay của tuabin 
2. Sơ đồ cấu tạo chung 
 Máy điều tốc gồm các cơ cấu phức tạp để thao tác điều chỉnh tự động tốc 
độ quay của tuabin cũng như các thao tác điều khiển, khống chế chế độ làm việc 
của tuabin. Các bộ phận chính của máy điều tốc gồm có : 
 Hình 3-7: Cụm điều khiển thiết bị dầu áp lực 
 Bộ phận cảm biến : Ghi nhận mức độ thay đổi tốc độ quay của tổ máy. 
 Bộ phận khuếch đại : Làm nhiệm vụ nhận tín hiệu từ bộ phận cảm biến và 
khuếch đại tín hiệu. 
 59 
 Bộ phận phân phối dầu áp lực : Căn cứ vào tín hiệu từ bộ phận cảm biến để 
điều phối dầu áp lực tới động cơ secvô thao tác đóng mở bộ phận hướng dòng của 
tuabin. Đó là van trượt phân phối (còn gọi là van điều phối). 
 Bộ phận chấp hành : Thực hiện mệnh lệnh đóng mở các cánh hướng tuabin. 
Đó là động cơ secvô gồm xilanh và pittông di chuyển bên trong xilanh theo hướng 
đóng hoặc mở các cánh hướng tuabin tuỳ thuộc vào hướng tác dụng của dầu áp 
lực, do van trượt phân phối điều phối. 
 Bộ phận phản hồi : Nhằm đưa tín hiệu vị trí pittông động cơ secvô phản hồi 
trở lại để bộ phận cảm biến trở về vị trí cũ ứng với trạng thái cân bằng mới của 
tuabin. 
 Ngoài ra, trong máy điều tốc còn có một số bộ phận điều khiển như cơ 
cấu biến tốc, cơ cấu giới hạn độ mở..dùng để thay đổi phụ tải tổ máy đảm nhận, 
hay khống chế độ mở tối đa của cánh hướng dòng.. 
 Ở tuabin tâm trục hay tuabin chong chóng, máy điều tốc chỉ nhằm 
 thay đổi độ mở bộ phận hướng dòng, gọi là máy điều tốc điều chỉnh đơn (có 
một bộ phận điều chỉnh). Ở tuabin cánh quay hay tuabin gáo có thêm thiết bị làm 
lệch tia nước thì phải dùng loại máy điều tốc điều chỉnh kép. Ở tuabin cánh quay, 
có hai bộ phận điều chỉnh, đó là bộ phận điều chỉnh độ mở cánh hướng dòng và bộ 
phận điều chỉnh góc đặt cánh BXCT của tuabin. Góc đặt cánh BXCT được thay 
đổi tuỳ thuộc vào cột nước và độ mở cánh hướng dòng, vì vậy, phải có cầu nối 
giữa hai bộ phận điều chỉnh này gọi là bộ phận liên hợp. Ở tuabin gáo cũng vậy, 
khi đóng chậm vòi phun bằng van kim để giảm áp lực nước va thì thiết bị làm lệch 
tia nước phải cắt ngay tia nước ra khỏi gáo rồi sau đó mới từ từ trở về vị trí cũ nên 
cũng cần phải có thêm bộ phận điều chỉnh thứ hai để thao tác thiết bị làm lệch tia 
nước. 
 Ở máy điều tốc nhỏ, thiết bi dầu áp lực và tất cả các bộ phận của thiết bị 
điều tốc được bố trí trong cùng một tủ điều tốc, còn ở thuỷ điện lớn thì thiết bị dầu 
áp lực bố trí riêng, các bộ phận của thiết bị điều tốc (trừ động cơ secvô) được bố trí 
trong tủ điều tốc . Ở thuỷ điện lớn, động cơ secvô thường gồm hai chiếc, bố trí sát 
nắp tuabin hoặc nằm trên nắp tuabin. 
 60 
 Hình 3-9: Điều tốc 
 tuabin gáo. 1- van kim; 2- cơ cấu lệch dòng 
 Hình 3-10: Cơ cấu điều tốc tuabin Francis 
3. Các sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ tua bin 
3.1 Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động trực tiếp 
 Cấu tạo của MĐT loại này gồm có: con lắc ly tâm 4, tay đòn HZS và vn 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 turbin.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. Khi cắt phụ tải, 
vì độ mở ao của các cánh hướng nước chưa thay đổi quay của quả lắc li tâm tăng 
lên, quả lắc văng ra xa, kéo hộp trục H lên trên, lú 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 turbin, đảm bảo cho công suất turbin bằng công suất máy phát điện. 
3.2 Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp 
 61 
1.2.1 Máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phản hồi cứng; 
 Trong sơ đồ này, ngoài bộ phận ĐCTL và van trượt kể trên còn có thêm bộ 
phận phản hồi kiểu đòn bẩy HZS, nó có tác dụng đưa kim trượt kịp thời trở về vị 
trí trung gian. Từ sơ đồ nguyên lí cho ở hình (8.4) ta thấy, lúc đầu tay đòn ở vị trí 1 
và sua khi pittông ĐCTL chuển động về phía đóng bộ phận điều chỉnh thì hệ thống 
phản hồi cứng kiểu đòn sẽ đẩy điểm Z cùng điểm S (nối với kim van) lên trên (ở vị 
trí 2), kết quả là kim trượt sẽ trở về vị trí trung gian. Khác với sơ đồ không có phản 
hồi, ở đây khi quá trình điều chỉnh kết thúc, động cơ tiếp lực sẽ đứng im tại vị trí 
cân bằng mới và số vòng quay của turbin cũng sẽ ổn định ở vị trí mới tương ứng 
với vị trí mới của hộp trục. Hình vẽ cho truờng hợp giảm phụ tải của máy phát 
điện. 
1.2.2 Máy điều tốc tác động gián tiếp không có bộ phận liên hệ ngược (phản hồi 
ngược). 
 Theo sơ đồ này con lắc được liên hệ với van trượt 4 qua tay đòn 2. Chất lỏng 
có áp (dầu có áp) được dẫn vào van trượt 4, van này có tác dụng phân phối dầu vào 
các ngăn của ĐCTL. Lực tác động của động cơ tiếp lực phụ thuộc kích thước và áp 
suất của dầu áp lực. 
 Cấu tạo ĐCTL gồm một pittông chuyển động trong một xilanh và pittông này 
được nối với vành điều chỉnh của bộ phận hướng dòng qua thanh kéo đẩy. Van 
trượt được thông với 2 ngăn của ĐCTL nhờ 2 ống dầu đặt ở 2 đầu của xilanh. Cấu 
tạo van trượt gồm có vỏ hình trụ và một chiếc kim trượt trong đó. Trên thành vỏ có 
 62 
khoét 5 lỗ nhỏ (cửa sổ); cửa sổ ở giữa được thông với dầu có áp lấy từ thiết bị dầu 
có áp tới van trượt qua cửa này: 2 cửa làm việc (ở vị trí cân bằng thì 2 cửa sổ này 
ngăn tương ứng của ĐCTL qua 2 ống dẫn dầu, 2 cửa xả dầu trên và dưới cùng 
thông với thùng dầu xả. Như vậy, khi chuyển dời khỏi vị trí cân bằng thì dầu có áp 
sẽ từ cửa sổ giữa đi vào một ngăn nào đó của động cơ tiếp lực, còn dầu có áp trong 
ngăn khác của ĐCTL sẽ theo cửa sổ làm việc và lỗ xả trở về thùng dầu xả, hai phía 
của ĐCTL có độ chênh áp lực làm chuyển động bộ phận điều chỉnh turbin. 
6. Thiết bị dầu có áp lực của máy điều tốc 
 Như trên đã trình bày, để thao tác điều tốc cần có hệ thống dầu áp lực làm 
nguồn cung cấp năng lượng, lấy dầu áp lực làm môi chất truyền lực cho động cơ 
secvô. Thiết bị dầu áp lực có nhiệm vụ cung cấp dầu áp lực cho tủ điều chỉnh tốc 
độ tuabin và trong một số trường hợp, còn cung cấp dầu áp lực cho động cơ secvô 
đóng mở van đĩa, van cầu, van tháo không tải...(dùng chung một hệ thống dầu) 
 Trong bình chứa 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 tuabin được giảm đi rất nhiều. Lượng dầu và áp lực dầu trong 
bình chứa đảm bảo cho các bộ phận thao tác điều chỉnh tuabin làm việc bình 
thường, nó là nguồn dự trữ năng lượng, nên giảm nhẹ được công suất bơm dầu (so 
với dùng bơm dầu trực tiếp vào bộ phận điều chỉnh tuabin). 
 Hình 3-6 
 63 
 Trong quá trình làm việc, 
 dầu và không khí nén trong bình 
 chứa dầu bị hao hụt do rò rỉ, vì 
 vậy phải đặt hai bơm dầu (một 
 bơm làm việc, một bơm dự trữ) 
 để bơm dầu từ thùng chứa dầu 
 vào bình chứa dầu áp lực. Còn 
 không khí nén thì được các máy 
 nén khí trong hệ thống khí nén 
 của nhà máy cung cấp theo định 
 kỳ. Áp lực khí nén trong bình 
chứa dầu thường là 25 kG/cm2, 40 kG/cm2 hoặc 63 kG/cm2. Do thao tác điều khiển 
động cơ secvô, làm áp lực trong bình chứa dầu sụt xuống. Khi áp lực trong bình 
chứa dầu sụt xuống bớt 2 ÷ 3 kG/cm2 so với bình thường thì các máy bơm dầu hoạt 
động nhờ các rơle áp lực. Khi áp lực đạt bình thường thì rơle tự động điều khiển 
dừng máy bơm. Để bơm dầu không chịu áp lực dầu khi dừng máy, lắp đặt van một 
chiều trên đường ống. Để đảm bảo an toàn vận hành, cần lắp đặt van an toàn trên 
bình chứa dầu. Ngoài ra còn có phao chỉ mức dầu, áp kế...Dầu ở thiết bị dầu áp lực 
là dầu sạch, có độ nhớt 4-50E ở nhiệt độ 500C. 
 Tài liệu tham khảo 
1 Giáo trình tua bin thuỷ lực- NXB Xây dựng - năm 2008 
2 Giáo trình tua bin nước- NXB Xây dựng - năm 1974 
3 Điều chỉnh tua bin nước- NXB Xây dựng - năm 1972 
 64 
4 Bảo dưỡng, sửa chữa tua bin nước - NXB Lao động -Xã hội - năm 2006 
5 Vận hành tua bin nước- NXB Lao động -Xã hội - năm 2006 
 65