Đồ án Khảo sát các loại tuốc bin cánh dẫn và thiết kế tuốc bin hướng trục

 Trang LỜI NÓI ĐẦU 1 I. XÁC ĐỊNH MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA KINH TẾ KỸ THUẬT 5 II. KHẢO SÁT CÁC LOẠI TUỐC BIN CÁNH DẪN 6 III. CƠ SỞ CỦA VIỆC TÍNH TOÁN THIẾT KÉ TUỐC BIN HƯỚNG TRỤC 9 3.1. Tổng quan về tuốc bin hướng trục 9 3.1.1. Các bộ phận và chức năng 10 3.1.2. Phương trình sử dụng trong tuốc bin hướng trục 15 3.2. Các đường đặc tính 22 3.2.1. Đường đặc tính tổng hợp chính 22 3.2.2. Đường đặc tính vận hành của tuốc bin hướng trục 23 3.3. Các thông số cơ bản của tuốc bin 24 3.3.1. Số vòng quay đặc trưng của tuốc bin 25 3.3.2. Lưu lượng qui dẫn 25 3.3.3. Vòng quay qui dẫn 25 3.3.4. Số vòng quay lồng của tuốc bin 26 3.3.5. Chiều cao hút Hs 26 IV. TÍNH TOÁN CHỌN MÁY PHÁT ĐIỆN 27 V. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA TUỐC BIN 29 5.1. Kích thước bánh công tác 29 5.2. Kích thước bộ phận hướng dòng 30 5.2.1. Số cánh của bộ phận dẫn dòng Z0 30 5.2.2. Bề rộng của cánh hướng dòng b0 30 5.2.3. Đường kính vòng tròn đi qua tâm trục cánh D0 30 5.2.4. Chiều dài cánh hướng dòng L 30 5.2.5. Biên dạng cánh (profin cánh) 31 5.3. Thiết kế buồng xoắn và ống hút 32 5.3.1. Thiết kế buồng xoắn 32 5.3.1.1. Đặc điểm, nhiệm vụ, yêu cầu 32 5.3.1.2. Phân loại 32 5.3.1.3. Các thông số cơ bản của buồng xoắn 33 5.3.1.4. Chọn kiểu buồng tuốc bin 34 5.3.1.5. Tính toán buồng xoắn 34 5.4. Thiết kế ống hút 35 5.4.1. Vai trò và nhiệm vụ của ống hút 35 5.4.2. Sự làm việc của ống hút 36 5.4.3. Các kiểu ống hút và phương pháp chọn 39 5.4.3.1. Nguyên tác chọn ống hút 39 5.4.3.2. Các kiểu ống hút 41 5.4.3.3. Các thông số cơ bản của ống hút thiết kế 41 VI. THIẾT KẾ TRỤC VÀ Ổ ĐỠ TRỤC 44 6.1. Thiết kế trục 44 6.1.1. Chon vật liệu chế tạo trục 44 6.1.2. Các lực tác dụng lên trục tuốc bin 44 6.1.2.1. Mục đích tính toán 44 6.1.2.2. Tính chọn đường kính trục 44 6.1.2.3. Tính toán lực tác dụng lên trục 46 6.2. Thiết kế ổ 51 6.2.1. Công dụng 51 6.2.2. Vấn đề ma sát và bôi trơn trong ổ trượt 51 6.2.3.Chọn vật liệu lót ổ 52 6.2.4. Cấu tạo ổ trượt 52 6.2.5. Tính toán ổ trượt 52 VII. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU TỐC 57 7.1. Nhiệm vụ của điều tốc tuốc bin 57 7.2. Phương trình điều chỉnh 58 7.3. Cấu tạo và đặc điểm hệ thống điều chỉnh tuốc bin 59 7.4. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ tuốc bin 60 7.4.1. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động trực tiếp 60 7.4.2. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp 61 7.4.2.1. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phục hồi cứng 62 7.4.2.2. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phục hồi mềm 63 7.4.2.3. Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc của tuốc bin cánh quay 64 7.5. Chọn sơ đồ nguyên lý máy điều tốc cho tuốc bin thiết kế 65 7.6. Thiết kế cơ cấu quay bánh hướng dòng 66 7.6.1. Tính toán lực và momen thủy động tác dụng lên bộ phận hương dòng 66 7.6.1.1. Mục đích tính toán 66 7.6.1.2. Tính toán lực và momen thủy động tác dụng lên cánh 66 7.7. Chọn kích thước trục cánh và tính bền trục cánh 67 7.8. Các kích thước còn lại 68 7.9. Tính lực cần thiết để quay vành điều chỉnh 69 7.10. Chọn xy lanh lực 72 7.11. Xác định đường kính van chi phối chính và chọn máy điều tốc cho bộ phận hướng dòng 73 VIII. LẮP RÁP - VẬN HÀNH - BẢO DƯỠNG 74 8.1. Lắp rắp - vận hành 74 8.1.1. Kiểm tra thiết bị 74 8.1.2. Lắp thiết bị 74 8.1.3. Những điểm cần lưu ý khi lắp ráp 76 8.1.4. Chạy thử 76 8.2. Vận hành 77 8.2.1. Chạy máy 77 8.2.2. Theo dõi máy đang chạy 77 8.2.3. Dừng máy 77 8.2.4. Xử lý sự cố 77 8.3 Bảo dưỡng 78 IX. KẾT LUẬN 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 I. XÁC ĐỊNH MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA KINH TẾ KỸ THUẬT. Hiện nay, thủy điện nhỏ đã được xây dựng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Nguồn thủy điện nhỏ rất ít hoặc không làm ảnh hưởng đến môi trường sinh thái. Ngoài mục đích cấp điện thủy điện nhỏ còn các mục đích khác như cấp nước, chống lụt, tưới tiêu, giải trí… Ở Việt Nam, điện khí hóa nông thôn là một nhiệm vụ quan trọng trong việc phát triển nông thôn, miền núi. Các làng, bản xa xôi không thể lấy điện từ mạng lưới trung tâm được vì chi phí truyền tải cao. Mặt khác các máy phát điện chạy bằng dầu không đáp ứng điều kiện kinh tế do giá thành cao. Giải pháp hợp lý cho vấn đề này là xây dựng những trạm thủy điện nhỏ, cực nhỏ là hợp lý nhất. Việt Nam với tổng diện tích lãnh thổ là 331.690 Km2 với ba phần tư là vùng đồi núi, địa hình chia cắt mạnh mẽ. Do đó trên lãnh thổ Việt Nam mạng lưới sông suối tương đối dày, hiện nay nước ta có 124 hệ thống sông với 2860 con sông có chiều dài lớn hơn 10 Km. Có thể kể một số con sông lớn như : Sông Hồng, sông Đồng Nai, sông Thái Bình, sông Đà, sông Lô, sông Thao và sông Sê San. Trên các sông này đã có hơn 10 điểm thủy điện lớn đang được xem xét và xây dựng với công suất lắp máy từ 300 MW - 3000 MW Trước năm 1945, chỉ có Tà Sa, Na Ngần với tổng công suất 1440 KW. Sau năm 1954, một số trạm cỡ trung bình được xây dựng như Thác Bà (108 MW) và Đa Nhim (160 MW)... Từ năm 1959, một kế hoạch dài hạn qui hoạch thủy năng ở các hệ thống sông ở Việt Nam đã được tiến hành nghiêng cứu. Trên cơ sở đó đã đưa ra nhiều điểm thủy điện có tính khả thi. Năm 1974, một công ty Anh đã xác định được 30 vị trí trạm với công suất từ 100 KW đến 3750 KW ở phía Nam. Năm 1980, cũng đã định ra được 300 điểm thủy điện nhỏ với tổng công suất là 23 MW ở phía Bắc. Trạm thủy điện nhỏ ở Việt Nam có thể phân cấp theo bảng sau. Loại trạm  Cấp công suất KW  Cột nước     Thấp  Trung bình  Cao   Trạm thủy điên Micrô  < 50  < 15  15 - 20  > 50   Trạm thủy điện Mini  50 - 500  < 20  20 - 100  > 100   Trạm thủy điện nhỏ  500 - 5000  < 25  25 - 130  > 130   Trạm thủy điện nhỏ ở Việt Nam nên lựa chọn xây dựng trên cơ sở. - Phân tích nguồn: lượng dòng chảy đều đặn, sử dụng được dài ngày trong năm. - Không có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu năng lượng. - Có một trung tâm tiêu thụ điện gần nguồn. - Kỹ thuật và công nghệ đơn giản dùng vật liệu địa phương và không đòi hỏi công nhân tay nghề cao. - Chi phí cho 1 KW lắp máy thấp. - Đem lại việc làm và sản phẩm cho dân trong vùng. Hình 1-1 Sơ đồ trạm thủy điện. Đồ án lần này em được giao nhiệm vụ ˝ Khảo sát các loại tuốc bin cánh dẫn và thiết kế tuốc bin hướng trục ˝ với các thông số ban đầu sau. Cột áp H = 3 m Lưu lượng Q = 47 l/s Đây là loại tuốc bin dùng để kéo máy phát điện công suất nhỏ, năng lượng tạo ra sẽ truyền qua dây dẫn đến các làng bản. II. KHẢO SÁT CÁC LOẠI TUỐC BIN CÁNH DẪN. Tuốc bin thường làm việc ở phạm vi cột nước H = 2 - 2000m, ứng với các trị số lưu lượng Q khác nhau. Để sử dụng một cách có hiệu quả năng lượng dòng nước đặc trưng bởi các tổ hợp cột nước và lưu lượng khác nhau cần có đủ các loại tuốc bin khác nhau về cấu tạo, kích thước cũng như quá trình làm việc của chúng. Dựa vào quá trình làm việc tức quá trình chuyển hóa năng lượng trong cơ cấu công tác chia ra hai loại tuốc bin: tuốc bin phản lực và tuốc bin xung lực. Loại tuốc bin phản lực (tuốc bin dòng chảy có áp), áp lực dòng chảy ở cửa vào của BCT bao giờ cũng lớn hơn áp lực ở cửa ra của nó. Còn loại tuốc bin xung lực (tuốc bin dòng chảy không áp) thì áp lực dòng nước ở hai điểm vào và ra là như nhau và bằng áp suất khí quyển. Năng lượng của một đoạn sông có chiều dài L giới hạn bởi tiết diện 1-1 và 2-2. Hình 2-1 Sơ đồ xác định công của đoạn sông Theo phương trình Becnuli năng lượng chất lỏng e ở các tiết diện trên lần lượt bằng.

 trong đó:  Trọng lượng riêng của nước [9810 N/m3] c1, c2 : Vận tốc của dòng chảy tại tiết diện 1-1 và 2-2 Hệ số điều chỉnh động năng dòng chảy ở tiết diên 1-1 và 2-2
, z1 và
, z2 : là áp năng và vị năng tại tiết diện 1-1 và 2-2. Hiệu số năng lượng dòng chảy e1 – e2 tại tiết diện 1-1, 2-2 là công của đơn vị trọng lượng chất lỏng khi chuyển động từ tiết diện 1-1 đến 2-2.

Trong các tuốc bin phản lực, thế năng dòng chảy ở cửa vào BCT
lớn hơn thế năng dòng chảy ở cửa ra
, nên ở đó hiệu số thế năng
. Ngoài ra tuốc bin loại này còn dùng một phần hiệu động năng dòng chảy
nữa. Trong các loại tuốc bin xung lực vì áp lực ở cửa vào và cửa ra của BCT như nhau nên BCT của loại tuốc bin này chỉ sử dụng hiệu động năng dòng chảy
. Để đánh giá và phân biệt mức độ sử dụng thế năng của dòng chảy nhiều hay ít của tuốc bin phản lực người ta dùng hệ số phản lực
, là tỉ số giữa phần thế năng dòng chảy với cột nước H:
Tuốc bin được coi là phản lực hoàn toàn nếu
= 1, điều đó có nghĩa là c1 = c2 và p1 > p2. Đối với tuốc bin xung lực thì
= 0 vì v1 > v2, p1 = p2 và z1
z2. Tóm lại tuốc bin sử dụng càng nhiều phần thế năng dòng chảy thì hệ số phản lực càng lớn. Hệ số phản lực đối với các kiểu tuốc bin phản lực phụ thuộc vào hệ số tốc độ (tỉ tốc ns) và thường nằm trong phạm vi 0,5<
<1. Khi nước chảy qua bộ phận hướng nước (BPHN) chỉ có một phần thế năng biến thành động năng nên áp lực nước ở cửa vào BCT lớn hơn nhiều so với áp lực khí quyển. Vì tiết diện ướt của BCT co hẹp dần nên vận tốc nước ở cửa ra BCT lớn hơn vận tốc ở cửa vào. Vì vậy BCT của tuốc bin phản lực bao giờ cũng làm việc trong môi trường chất lỏng kín và liên tục, sự chênh lệch về áp lực ở cửa vào và cửa ra của BCT quết định đặc tính công tác của loại tuốc bin này. Ở tuốc bin xung lực trên thực tế sau khi nước ra khỏi BPHN (vòi phun) thì toàn bộ thế năng dòng chảy đều biến thành động năng để trao cho BCT. Vì chảy trong môi trường khí quyển nên chuyển động của dòng tia trên các BCT (gáo) là chuyển động không áp hay còn gọi là dòng tia tự do. Khác với tuốc bin phản lực ở đây dòng tia chảy vào BCT dưới dạng các dòng tia riêng biệt, khi làm việc chỉ một phần BCT tiếp xúc với tia nước. Như vậy quá trình làm việc của tuốc bin xung lực thực chất là quá trình biến đổi động năng dòng chảy thành cơ năng trên trục quay của tuốc bin. Tuốc bin phản lực và xung lực chia thành các hệ khác nhau tùy theo hướng dòng chảy trong BCT và cách điều chỉnh lưu lượng. Trong mỗi hệ tuốc bin lại chia ra các kiểu BCT với kích thước khác nhau tùy theo công suất đã cho. Các tuốc bin cùng kiểu sẽ có hình dạng hình học của bề mặt các phần nước qua đồng dạng. Các tuốc bin đồng dạng về hình học có kích thước khác nhau hợp thành một cỡ (xêri) tuốc bin. Như vậy sự phân loại tuốc bin có thể biểu thi bằng sơ đồ sau: Tuốc bin phản lực gồm các hệ sau: Tuốc bin hướng trục: gồm tuốc bin cánh quay và cánh quạt trục đứng, tuốc bin hướng trục ngang (capxun và chảy thẳng), dòng nước trong BCT chảy theo hướng trục của tuốc bin. Tuốc bin cánh quay hướng chéo (diganan), dòng nước trong BCT chảy theo chiều đường chéo. Tuốc bin tâm trục: trong phạm vi BCT dòng nước đổi từ hướng tâm sang hướng trục. Tất cả các hệ tuốc bin trên đều được dùng trong thực tế. Loại tuốc bin xung lực gồm các hệ sau: Tuốc bin gáo: trục tia nước tiếp tuyến với vòng tròn trung bình của các gáo và nằm trong mặt phẳng đối xứng của BCT. Tuốc bin tia nghiêng: trục tia nước tạo với mặt phẳng BCT một góc nhọn (hiện nay hầu như không còn sử dụng vì hiệu suất và tính năng làm việc kém). Tuốc bin xung lực hai lần: dòng tia hai lần chảy qua kênh của cánh BCT. III. CƠ SỞ CỦA VIỆC TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUỐC BIN HƯỚNG TRỤC. Mẫu tuốc bin hướng trục đầu tiên do kỹ sư Victo Kaplan người Tiệp Khắc đề xuất. Tuốc bin hướng trục có hai loại: cánh quạt và cánh quay (tuốc bin Kaplan). Hướng chảy của nước trong phạm vi BCT theo hướng trục của tuốc bin. Tuốc bin hướng trục được sử dụng cho cột nước thấp từ 3-5m đến 35-40m. Gần đây cột nước của tuốc bin sử dụng lên đến 60-70m. 3.1. Tổng quan về tuốc bin hướng trục. Hình 3-1 Cấu tạo tuốc bin hướng trục 1: Trục. 2: BCT. 3: Bộ phận hướng dòng. 4: Buồng xoắn tuốc bin 3.1.1. Các bộ phận và chức năng. a. Bánh công tác tuốc bin (BCT). Bánh công tác có nhiệm vụ trực tiếp nhận năng lượng của dòng chảy và biến nó hoàn toàn thành cơ năng làm quay BCT do đó nó làm quay trục tuốc bin bắt chặt với nó, qua đó truyền momen xoắn đến máy phát và làm quay trục máy phát cung cấp điện năng đến phụ tải. BCT gồm có bầu và cánh được chế tạo riêng biệt. Cánh của BCT có thể thay đổi được góc độ làm việc bằng các cơ cấu cơ khí bố trí ở bên trong bầu bánh công tác. Nhờ vậy khi cột nước làm việc và lưu lượng của tuốc bin thay đổi ta có thể thay đổi góc đặc cách của tuốc bin để quá trình chuyển hóa năng lượng đạt kết quả cao nhất. Dòng chảy dưới tác dụng của cột nước, áp lực sau khi qua khỏi bộ phận hướng dòng, đi vào giữa rãnh của bánh công tác, lượn theo chiều cong của nó gây ra một phản lực tác dụng lên bánh công tác và làm nó quay. Hình 3-2 Bánh công tác b. Buồng bánh công tác. Là chổ lắp đặt bánh công tác. Khe hở giữa buồng và cánh BCT nằm trong phạm vi (0,0005÷0,0001)D1. Trong đó D1 là đường kính bánh công tác. Khác với tuốc bin tâm trục ở đây BCT bố trí thấp hơn bộ phận hướng dòng đặt bên trong buồng bánh công tác, buồng BCT gồm 2 phần : Phần trên trục quay của cánh có dạng hình trụ, còn phần dưới có dạng hình nửa cầu. Đường kính lớn nhất của buồng được xem là đường kính tiêu chuẩn của tuốc bin cánh quay D1. Phần nửa cầu có tác dụng giảm bớt khe hở giữa các cánh với bầu khi quay cách, còn phần trụ cho phép nhấc BCT ra ngoài khi sửa chữa. Chiều cao buồng nói chung bằng Hb, với Hb=(0,5÷0,53)D1. Buồng của BCT (tính từ vòng dưới của bộ phận hướng dòng trở xuống) gồm một vài vòng bằng thép dạng vỏ mỏng 1 và nối với nhau bằng bu lông. Phía ngoài buồng có các móc để neo chặt bu lông với bêtông. Buồng BCT bị rung động mạnh do tác dụng mạch động nên công việc lắp ráp cũng như gia công buồng phải làm chu đáo. Tại giao điểm của phần nửa cầu với phần dưới của buồng có tiết diện nhỏ nhất , đường kính Dk và bằng khoảng (0,94÷0,98)D1. Đầu dưới của buồng BCT nối với ống hút qua đoạn ống chuyển tiếp 2. Khi lắp ráp bánh công tác, bánh được đặt trên vòng móng nằm dưới trụ tuốc bin. Hình 3-3 Buồng bánh công tác tuốc bin hướng trục c. Buồng xoắn tuốc bin. Buồng xoắn tuốc bin có tác dụng dẫn nước đều đặn vòng quanh bộ phận hướng dòng của tuốc bin sao cho tổn thất thủy lực ở buồng tuốc bin và bộ phận dẫn dòng là bé nhất, gồm các kiểu: hở, chính diện, xoắn bê tông và xoắn kim loại. Buồng hở có cấu tạo đơn giản có đặc tính thủy lực tốt hơn buồng khác trong điều kiện cột nước H<10 m, và đường kính tuốc bin D1<1,6 m. Nếu dùng buồng hở ở phạm vi cột nước và kích thước lớn hơn giới hạn kể trên sẽ gặp nhiều khó khăn trong việc bố trí thiết bị cũng như kết cấu phần thủy công của nhà máy. Bởi thế các tuốc bin có kích thước và cột nước lớn hơn thì BCT tuốc bin sẽ không bố trí trong buồng hở mà bố trí trong buồng kín có mặt bằng hình xoắn ốc (còn gọi là buồng xoắn) nhờ thế đảm bảo cho phần dưới lẫn phần trên nước của trạm thủy điện sẽ có kích thước nhỏ hơn. Sau khi đi qua buồng tuốc bin, nước sẽ chảy đến trụ tuốc bin rồi vào bộ phận hướng dòng. Hình 3-4 Buồng xoắn hở dùng cho tuốc bin trục đứng. d. Trụ. Trụ tuốc bin có tác dụng truyền xuống móng nhà máy các tải trọng gồm : trọng lượng toàn bộ cổ máy, sàn và bệ máy phát điện, áp lực nước dọc trục tác dụng lên BCT và khối bê tông phủ lên nó. Có hai loại trụ : là kiểu cột riêng lẻ và kiểu vòng. Tuốc bin cánh hướng trục dùng trụ kiểu vòng, để tăng độ cứng, còn kiểu cột riêng lẻ chỉ sử dụng cho buồng xoắn bê tông cốt thép và ở đó ổ trục chặn không lắp trên nắp tuốc bin. Do đó nó phải có đủ độ cứng cũng như hình dạng hình học chính xác. Số lượng cột chống của trụ bằng nửa số cánh hướng nước Z0. Hình 3-5 Trụ. 1: Vành trên, 2: Cột, 3: Vành dưới e. Bộ phận hướng dòng. Sau khi qua trụ nước chảy vào bộ phận hướng dòng, bộ phận này có tác dụng: Hình thành hướng dòng chảy nhất định ở trước bánh công tác. Thay đổi trị số và hướng vận tốc của lòng chảy trong không gian nằm giữa BCT và bộ phận hướng dòng để tạo điều kiện tốt nhất cho dòng chảy vào BCT nhằm nâng cao hiệu suất tuốc bin. Thay đổi công suất tuốc bin bằng cách thay đổi lưu lượng đi qua tuốc bin trong khi vẫn giữ nguyên số vòng quay. Về phương diện thiết kế để đảm bảo yêu cầu trên thì bộ phận hướng dòng phải có số cánh hợp lý không chia hết cho số cánh BCT, cánh có hình dạng profin để dòng chảy khi qua cánh ít bị tổ thất thủy lực. Dòng chảy ra khỏi cánh hướng dòng BCT phải là dòng chảy không va, các cánh hướng dòng phải đủ bền trong điều kiện chịu áp lực cột nước lớn nhất khi đóng hoàn toàn cánh hướng dòng. Bộ phận hướng dòng có hai bộ phận chính đó là: Các cánh hướng bố trí vòng quanh BCT và cơ cấu quay cánh hướng dòng. Đầu trên trục cánh được lồng vào các lỗ khoét ở nắp tuốc bin còn đầu dưới được lắp vào vành dưới, nhờ đó mà các cánh có thể quay quanh trục của cánh để thay đổi độ mở a0 của bộ phận hướng dòng, tức là thay đổi lưu lượng vào tuốc bin. Hình 3-6 Sơ đồ bộ phận hướng dòng 1: Trục cánh. 2: Cánh hướng dòng. 3: Tay quay. 4: Thanh truyền. 5: Vành điều chỉnh. f. Trục tuốc bin. Trục tuốc bin được dùng để truyền mômen xoắn từ BCT đến roto của máy phát điện. Một đầu trục lắp chặt với BCT, đầu ra lắp với máy phát điện. Trục tuốc bin trụ đứng là một đoạn ống rỗng để lắp thanh điều khiển quay BCT. g. Ổ trục. 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 nền móng. h. Cơ cấu điều chỉnh quay bánh hướng dòng. Muốn quay được các cánh hướng dòng, cơ cấu này phải có đủ lực để thắng được áp lực nước F tác dụng lên các cánh hướng dòng và các lực ma sát trong các chi tiết của bộ phận hướng dòng. Đồng thời phải đảm bảo khả năng quay các cánh hướng dòng theo các trị số độ mở a0 bất kỳ trong phạm vi từ a0 - amax. Cơ cấu điều chỉnh có nhiệm vụ thay đổi độ mở của cánh hướng dòng nhằm thay đổi lưu lượng nước vào bánh công tác. Cơ cấu điều chỉnh là bộ phận liên hệ giữa bộ phận hướng dòng với máy điều tốc. Để điều chỉnh lưu lượng nước vào bánh công tác, máy điều chỉnh tốc độ sẽ truyền lực cho trục điều chỉnh, tay quay điều chỉnh đến vành điều chỉnh làm cho vành điều chỉnh quay. Vành này thông qua tay quay và khớp quay sẽ làm cho cánh hướng dòng đóng mở, đều chỉnh lưu lượng nước tuỳ theo sự thay đổi của phụ tải. j. Ống hút. Ống hút của tuốc bin hướng trục có nhiệm vụ dẫn nước đến BCT với tổn thất năng lượng nhỏ nhất. Ống hút cho phép. Sử dụng được phần lớn động năng còn lại của dòng chảy sau khi ra khỏi BCT Nhờ có ống hút ta có thể đặt BCT cao hơn mực nước hạ lưu để tiện việc sửa chữa và giảm giá thành xây dựng mà không bị tổn thất cột nước hình học bằng khoảng cách từ BCT xuống mực nước hạ lưu. Để có thể sử dụng được phần lớn động năng của dòng chảy sau khi ra khỏi BCT, ống hút thường làm có dạng loe đần, nên giảm tổn thất trong ống hút và giảm tổn thất cột nước vận tốc ở tiết diện ra của ống hút, đồng thời cũng tăng độ chân không ngay sau BCT, do đó làm tăng khả năng thoát nước của tuốc bin. Như vậy việc chọn kiểu và kích thước ống hút đóng một vai trò quan trọng khi thiết kế. 3.1.2. Phương trình sử dụng trong tuốc bin hướng trục. 3.1.2.1. Phương trình cột áp. Phương trình nguyên lý cơ bản của tuốc bin xác lập sự liên hệ giữa mômen lực tác dụng của nước vào BCT với các thành phần vận tốc tại cửa vào và cửa ra của nó. Trước khi đi vào bánh công tác, dòng nước chảy qua các rãnh giữa các cánh hướng dòng, các cánh này được sắp xếp với các khoảng cách như nhau vòng quanh BCT và làm với mặt kinh tuyến các góc (0 bằng nhau. Như vậy dòng nước trước, trong và sau BCT là dòng chuyển động xoáy quanh trục tuốc bin và đối xứng với trục đó. Khi dòng chảy men theo bề mặt cánh BCT, vận tốc chất lỏng không ngừng đổi hướng và trị số, vì thế các hạt chất lỏng ở đó chịu lực tác dụng của cánh BCT. Theo định luật III của Niutơn, các hạt chất lỏng cũng tác dụng vào BCT một lực có cùng trị số nhưng ngược chiều, chính lực này đã tạo nên mômen xoắn trên trục tuốc bin. Ta sẽ tìm trị số mômen lực này và công suất tương ứng. Muốn vậy ta dùng nguyên lý biến thiên động lượng theo thời gian mômen của tất cả các ngoại lực tác dụng vào cơ hệ đó. Xét chuyển động của dòng nguyên tố (tách ra từ dòng chảy trong BCT) của chất lỏng giới hạn bởi mặt cắt I-I có thể tích a, b. Sau thời gian dt, dòng này dời đến vị trí khác giới hạn bởi mặt cắt II-II có thể tích b, c. Ở đây có thêm một giả thuyết nữa là dòng chảy đang xét là dòng chảy đối xứng và chất lỏng lý tưởng. Do dòng chảy liên tục nên: a+b = b+c. Gọi c1 là vận tốc tuyệt đối của chất lỏng đi vào dòng tại mặt cắt I-I và c2 là vận tốc tuyệt đối của chất lỏng đi ra khỏi dòng tại mặt cắt II-II. Theo định lý biến thiên mômen động lượng ta có:
(3.1) Hình 3-7 Sơ đồ dòng chảy trong tuốc bin và tam giác vận tốc tại các mép cánh của bánh công tác. trong đó L1, L2: Mômen động lượng ở đầu và cuối thời gian dt. M’: Mômen các ngoại lực tác dụng lên dòng đang xét. Theo định nghĩa về mômen động lượng của chất lỏng ta có:
(3.2)
(3.3) trong đó: c.cosHình chiếu của vận tốc tuyệt đối lên phương vận tốc vòng
. r: Khoảng cách từ điểm đang xét trong dòng đến trục quay (m). Thay (3.2), (3.3) vào (3.1) ta có:
.
. Với : c1u, c2u: vận tốc tiếp tuyến tại cửa vào và ra của BCT. mi: khối lượng của phần tử nước i, vì dòng chảy liên tục nên khối lượng trong a bằng trong c.
trong đó : q: lưu lượng của dòng nguyên tố. Do vậy :
(3.4) Các ngoại lực tác dụng lên dòng gồm : trọng lực, áp lực mặt đầu trên và đầu dưới của dòng, phản lực của cánh đối với chất lỏng. Theo giả thiết của dòng chảy là đối xứng qua trục quay nên mômen của trọng lực và áp lực mặt của trục quay bằng không cho dù BCT đặt đứng, ngang hay xiên. Như vậy chỉ có phản lực mới hình thành mômen xoắn đối với trục quay. (3.4) cho ta biết trị số mômen phản lực của BCT tác dụng lên dòng có lưu lượng là q, còn mômen lực M của dòng trao cho BCT có cùng trị số với M’ nhưng ngược chiều, tức là :
. Dòng chảy trong BCT gần có thể xem như vô số dòng nguyên tố như vậy hợp thành. Lúc đó phương trình mômen đối với toàn bộ BCT có dạng :
(3.5) trong đó: Q: là lưu lượng của tuốc bin, (3.5) được gọi là phương trình mômen. Từ phương trình này ta có thể tìm được phương trình nguyên lý cơ bản của tuốc bin như sau. Nếu BCT quay quanh trục với tốc độ góc
thì công suất tạo bởi mômen xoắn sẽ là.
Trong quá trình làm việc, nếu không có tổn thất năng lượng thì công suất thủy lực:
cũng bằng công suất trục N, nghĩa là:
(3.6) Phương trình này chỉ đúng cho trường hợp lý tưởng khi tất cả năng lượng dòng nước đều tạo thành cơ năng trên trục tuốc bin. Nhưng thật ra do tổn thất cột nước trong quá trình chuyển hóa năng lượng nên cột nước công tác thật sự tạo nên cơ năng là: H = H.HH. Trong đó: HH: cột nước của trạm (m). H: hiệu suất thủy lực. Từ (3.6) ta có:
(3.7) Hay:
=
=
(3.8) trong đó: : góc giữa hai véctơ vận tốc tuyệt đối tại mép vào
và tại mép ra
với vận tốc theo
. (3.8) gọi là phương trình cột áp tuốc bin, hay gọi là phương trình Ơle cho các loại máy cánh dẫn do L.Ơle tìm ra năm 1754. Phương trình Ơle cho biết công suất N của khối lượng chất lỏng trao cho BCT tỷ lệ thuận với hiệu mômen động lượng của chất lỏng trước và sau BCT mà không phụ thuộc vào trị số tuyệt đối của mômen động lượng ban đầu hoặc mômen động lượng trong phạm vi cánh. Phương trình cơ bản của tuốc bin còn có thể viết dưới dạng sau, nếu sử dụng tính chất tam giác hình 3-9. Ta có:
(3.9)
(3.10) Thay (3.9) và (3.10) vào (3.8) ta có:
(3.11) trong đó:

3.1.2.2. Phương trình điều chỉnh lưu lượng. Trong tuốc bin cánh quay lưu lượng được điều chỉnh đồng thời cánh hướng dòng và cánh BCT Lưu lượng chảy qua tuốc bin không chỉ phụ thuộc vào độ mở a0 của cánh hướng dòng mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác. Sỡ dĩ như vậy là trong tuốc bin hướng trục, dòng chảy sau bộ phận hướng dòng là dòng chảy có áp và bộ phận hướng dòng nằm trước BCT và ống hút. Sự làm việc của BCT và ống hút sẽ ảnh hưởng đến lưu lượng qua bộ phận hướng dòng.