Hiện tượng xâm thực ở TUABIN FRANCIS.Các bằng chứng thực nghiệm đã chỉ ra

Hiện tượng xâm thực ở TUABIN FRANCIS.Các bằng chứng thực nghiệm đã chỉ ra rằng các dải xoáy bọt khí xâm thực hình xoắn ốc có thể xuất hiện trong tuabin Francis ở chế độ vận hành đầy tải. Các dao động áp lực nảy sinh cùng lúc với các dòng xoáy hình xoắn ốc (spiraling vortex) có thể gây hại cho tuabin. Bài viết giải thích về sự không ổn định về dòng chảy này dựa trên lý thuyết của P. Krishnamchar, Arpad A. Fay và Saroj Rangnekar về hiện tượng hẫng luân chuyển (rotating stall).Tuabin Francis ở nhà...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hiện tượng xâm thực ở TUABIN FRANCIS.Các bằng chứng thực nghiệm đã chỉ raHiện tượng xâm thực ở TUABIN FRANCISCác bằng chứng thực nghiệm đã chỉ ra rằng các dải xoáy bọt khí xâm thựchình xoắn ốc có thể xuất hiện trong tuabin Francis ở chế độ vận hành đầy tải.Các dao động áp lực nảy sinh cùng lúc với các dòng xoáy hình xoắn ốc(spiraling vortex) có thể gây hại cho tuabin. Bài viết giải thích về sự không ổnđịnh về dòng chảy này dựa trên lý thuyết của P. Krishnamchar, Arpad A. Fay vàSaroj Rangnekar về hiện tượng hẫng luân chuyển (rotating stall).Tuabin Francis ở nhà máy thủy điện Tam Hiệp, Trung QuốcNhư chúng ta đã biết, ở tuabin thủy lực Francis, các dao động áp lực thường xuấthiện trong ống hút ở chế độ vận hành non tải. Những dao động này có thể lớn đếnmức không cho phép vận hành non tải dưới một mức giới hạn. Làm thế nào đểtránh được sự hạn chế này hay chí ít là nới lỏng giá trị giới hạn cho đến nay vẫn làmột mục tiêu nghiên cứu căn bản. Trong một số ít trường hợp, sự không ổn địnhcó hại thậm chí còn xảy ra khi vận hành đầy tải. Bài viết này nhằm giải thích sựkhông ổn định khi vận hành đầy tải.Thoma (1910) và Ackert (1930) đã nghiên cứu vấn đề không ổn định này củatuabin thủy lực Francis, tuy nhiên Deriaz (1960) mới là người đầu tiên đưa ra kiếngiải dựa trên tiến động của con quay hồi chuyển. Ông cũng đã phát hiện ra mốitương quan mật thiết giữa dao động áp lực trong ống hút và các dải bọt khí xâmthực xoay (rotating cavitation rope) quan sát được ở hạ lưu mayơ bánh xe công tác.Dải thẳng (Hình 1, Ảnh 1) không gây ra ho ặc chỉ gây ra các dao động nhỏ trongkhi những dải hình xoắn ốc (Hình 2, Ảnh 2 xem trang bên) là rất nguy hiểm vềmặt đó. Trong các thử nghiệm của Deriaz, tỉ lệ giữa tốc độ của hình xoắn ốc bọtkhí xâm thực xoay và tốc độ trong ống hút là từ 14% đến 34%, và tỉ lệ này đối vớinguyên mẫu cũng như đối với mô hình là xấp xỉ như nhau. Sau này, báo cáo củaGiraud (1966) cho thấy biên độ các dao động cũng có những biến thiên tương tựtrong mô hình cũng như trong nguyên mẫu. Như vậy là từ lâu, người ta đã biết rõcó thể nghiên cứu sự không ổn định về dòng chảy của các nguyên mẫu thông quacác mô hình tuabin của chúng. Qua năm tháng, một số khảo sát đã được tiến hành,kể cả một số tài liệu quan trọng được công bố mới đây, vậ y mà dường như vấn đềvẫn chưa được giải quyết.Hiện tượng không ổn định khi làm việc đầy tải còn ít được hiểu rõ hơn. Deriaz đềxuất ý tưởng cho rằng hiện tượng tạo bọt khí xâm thực cánh bánh xe công tác cóthể đóng vai trò quan trọng đối với sự hình thành các dải bọt khí xâm thực hìnhxoắn ốc ở chế độ đầy tải. Gần đây, Brekke đã có báo cáo về các dao động côngsuất cỡ 50 đến 60 MW ở chế độ đầy tải đối với một nguyên mẫu công suất 315MW. Ông đã tính toán tương tác giữa dải bọt khí xâm thực với các khoảng tíchnước khác trong hệ thống (buồng điều áp và không khí khí quyển tại cuối ống hút)và đã giải thích các đột biến khi đầy tải dựa trên cơ sở này. Bài viết này khẳngđịnh hiện tượng hẫng luân chuyển có thể là một cách giải thích khả dĩ nữa cho cácđột biến khi đầy tải.Thử nghiệm trên mô hìnhFay đã có báo cáo về các thử nghiệm mô hình tuabin Francis với nq= n.Q0,5.H-0,75 = 34 [vg/ph, m3/sec, m], đường kính lỗ thoát D = 260 mm, cột nước ròngH=30 m, giữ không đổi trong suốt quá trình thử nghiệm. Sự phát triển của bọt khíxâm thực khi s giảm được thể hiện ở Hình 1, nhận được khi mở hoàn toàn tại n11=nD/H0,5 = 45,3 [vg/phút, m, m] điểm gần đầy tải của nguyên mẫu khảo sát. Khigiảm s, hình thành dải bọt khí xâm thực thẳng (Ảnh 1), và trong điều kiện dòngchảy này, không quan sát thấy có hiện tượng dao động áp lực.Hình 2 thể hiện sự phát triển của bọt khí xâm thực khi mở hoàn toàn, như ở Hình 1,nhưng ở tốc độ đơn vị nhỏ hơn: n11=41 (Điểm B trên Hình 3). Khi giảm dần s, thìdải bọt khí xâm thực hình xoắn ốc được hình thành (Ảnh 2). Tại những giá trị snhỏ hơn, dải này biến thành các dải bọt khí bội (Ảnh 3), và sau đó thành nhữngkhối bọt khí xâm thực lớn (Hình 2).Hiện tượng bọt khí xâm thực (cavitation) không gây ra dao động áp lực. Các daođộng này cũng có mặt ở mô hình tại các giá trị s lớn khi hiện tượng bọt khí xâmthực bị triệt tiêu. Các dao động lúc này là do dòng nước hình xoắn ốc gây ra dẫnđến hình thành một trường áp lực xoáy. Các đường xoắn ốc đặc không có lõi bọtkhí (tại điểm s lớn nhất trên Hình 2) có thể lại nguy hiểm hơn các dòng chảy vớidải bọt khí xâm thực đơn (tại các giá trị s nhỏ hơn). Hiện tượng tạo bọt khí xâmthực chỉ khiến cho các đường dòng xoáy nhìn thấy được. Các dải bội ít nguy hiểmhơn, còn các khối bọt khí xâm thực lớn thì không nguy hiểm.Các đột biến về công suất là do dòng chảy xoắn ốc đi vào đoạn khuỷu của ống hút.Ống hút khuỷu cuốn dòng nước xoắn ốc về phía kênh xả khiến nó bị lệch tâm sovới bánh xe công tác. Hình xo ắn ốc và do đó trường áp lực không còn đồng trụcvới bánh xe công tác nữa. Tại lối vào đoạn khuỷu, trong quá trình xoay một nửacủa đường xoắn ốc, vùng áp lực thấp (lõi của đường xoắn ốc) di chuyển từ phíanguồn tới hạ lưu của ống hút, và do đó trở lực dòng chảy của ống hút thay đổiđồng pha với sự quay của dải bọt khí. Theo ý tưởng này, các dao động công suất làdo những thay đổi về trở lực của ống hút gây ra.click vào để phóng to ảnhTrong các ống hút thẳng, giống như các thiết kế tuabin Francis kiểu cổ, các dòngchảy xoắn ốc có thể xuất hiện, tuy nhiên dòng chảy khi ra khỏi ống hút thì êm ả,có nghĩa là không gây ra dao động công suất.Hình 2 cũng giúp giải thích ảnh hưởng của không khí cuốn vào. Khi không khívào ở mayơ tuabin, khi đó áp lực tăng lên trong dây b ọt khí xâm thực. Chênh lệcháp suất giữa dòng chảy chính và dây bọt khí xâm thực giảm đi. Các điều kiện dòngchảy tương tự như các điều kiện đo được tại các giá trị s nhỏ hơn. Như có thể thấyở Hình 2, s giảm (hoặc lượng không khí cuốn vào tăng) sẽ tạo nên những dải bọtkhí dày xoay đối xứng, và chúng không tạo ra các dao động trong ống khuỷu. Đólà một trong các lý ...