Nguyên lý hoạt động và đặc điểm cấu trúc của dòng nước vào máy phát điện tuabin phản công

Tuabin phản công là một loại máy thủy lực sử dụng áp suất của dòng nước để chuyển đổi năng lượng nước thành năng lượng cơ học.

(1) Cấu trúc. Các thành phần cấu trúc chính của tuabin phản công là cánh quạt, buồng chuyển hướng nước, cơ cấu dẫn nước và ống kéo.
1) Cánh quạt. Cánh quạt là một bộ phận của tuabin nước có chức năng chuyển đổi năng lượng dòng chảy của nước thành năng lượng cơ học quay. Tùy thuộc vào hướng chuyển đổi năng lượng nước, cấu trúc cánh quạt của các loại tuabin ngược chiều cũng khác nhau. Cánh quạt tuabin Francis bao gồm các cánh xoắn khí động học, vành trên và vòng dưới cùng các bộ phận thẳng đứng chính khác; cánh quạt tuabin dòng chảy hướng trục bao gồm các cánh, thân cánh quạt và nón thoát nước cùng các bộ phận chính khác; cấu trúc cánh quạt tuabin dòng chảy chéo phức tạp hơn. Góc đặt cánh có thể thay đổi tùy theo điều kiện làm việc và phù hợp với độ mở của cánh dẫn hướng. Đường tâm quay của cánh tạo một góc nghiêng (45°-60°) so với trục của tuabin.
2) Buồng chuyển hướng nước. Chức năng của nó là làm cho nước chảy đều vào cơ cấu dẫn hướng nước, giảm tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu suất của tuabin. Các tuabin cỡ lớn và trung bình thường sử dụng vỏ xoắn ốc bằng kim loại tiết diện tròn cho cột nước trên 50m, và vỏ xoắn ốc bằng bê tông tiết diện hình thang cho những tuabin có cột nước dưới 50m.
3) Cơ cấu dẫn hướng nước. Cơ cấu này thường bao gồm một số cánh dẫn hướng hình học và cơ cấu quay của chúng được bố trí đều trên chu vi của bánh công tác. Chức năng của nó là dẫn dòng nước chảy đều vào bánh công tác, và bằng cách điều chỉnh độ mở của cánh dẫn hướng, thay đổi lưu lượng nước của tuabin để đáp ứng yêu cầu tải của tổ máy phát điện, đồng thời nó cũng đóng vai trò chắn nước khi đóng hoàn toàn.
4) Ống dẫn nước thải. Dòng nước ở cửa ra của cánh quạt vẫn còn một phần năng lượng dư thừa chưa được sử dụng. Vai trò của ống dẫn nước thải là thu hồi phần năng lượng này và đẩy nước ra phía hạ lưu. Ống dẫn nước thải được chia thành hai loại: hình nón thẳng và hình nón cong. Loại hình nón thẳng có hệ số năng lượng lớn và thường phù hợp với các tuabin nằm ngang và tuabin ống nhỏ; loại hình nón cong có hiệu suất thủy lực thấp hơn so với hình nón thẳng, nhưng có độ sâu đào nhỏ hơn, và được sử dụng rộng rãi trong các tuabin phản lực cỡ lớn và trung bình.

(2) Phân loại. Theo hướng trục của dòng nước chảy qua cánh quạt, tuabin va đập được chia thành tuabin Francis, tuabin dòng chéo, tuabin dòng trục và tuabin ống.
1) Tuabin Francis. Tuabin Francis (dòng chảy hướng tâm hoặc tuabin Francis) là loại tuabin phản lực, trong đó nước chảy theo hướng tâm từ chu vi của cánh quạt đến hướng trục. Loại tuabin này có phạm vi cột nước áp dụng rộng (30-700m), cấu trúc đơn giản, thể tích nhỏ và chi phí thấp. Tuabin Francis lớn nhất từng được đưa vào vận hành ở Trung Quốc là Nhà máy thủy điện Ertan, với công suất định mức 582 MW và công suất tối đa 621 MW.
2) Tuabin dòng chảy hướng trục. Tuabin dòng chảy hướng trục là loại tuabin phản lực, trong đó nước chảy vào từ hướng trục và chảy ra khỏi cánh quạt cũng theo hướng trục. Loại tuabin này được chia thành hai loại: loại cánh cố định (kiểu vít) và loại cánh quay (kiểu Kaplan). Các cánh của loại thứ nhất được cố định, còn các cánh của loại thứ hai có thể quay. Khả năng dẫn nước của tuabin dòng chảy hướng trục lớn hơn so với tuabin Francis. Vì các cánh của tuabin cánh có thể thay đổi vị trí theo sự thay đổi tải trọng, nên chúng có hiệu suất cao hơn trong phạm vi thay đổi tải trọng rộng. Khả năng chống xâm thực và độ bền cơ học của tuabin dòng chảy hướng trục kém hơn so với tuabin Francis, và cấu trúc cũng phức tạp hơn. Hiện nay, cột nước áp dụng được của loại tuabin này đã đạt đến 80m trở lên.
3) Tuabin ống. Dòng nước của loại tuabin nước này chảy theo trục ra khỏi cánh quạt, và không có sự quay trước và sau cánh quạt. Phạm vi cột áp sử dụng là 3-20. Thân máy có ưu điểm là chiều cao nhỏ, điều kiện dòng chảy nước tốt, hiệu suất cao, ít công trình dân dụng, chi phí thấp, không cần ống xoắn ốc và ống dẫn hướng cong, và cột áp càng thấp thì ưu điểm càng rõ rệt.
Tuabin ống được chia thành hai loại: loại chảy toàn phần và loại chảy bán phần theo kiểu đấu nối máy phát và chế độ truyền động. Tuabin chảy bán phần được chia nhỏ hơn nữa thành loại hình bóng đèn, loại trục và loại trục kéo dài. Trong đó, loại trục kéo dài cũng được chia thành hai loại: trục xiên và trục ngang. Hiện nay, loại hình bóng đèn, loại trục kéo dài và loại trục đứng được sử dụng rộng rãi nhất chủ yếu trong các tổ máy nhỏ. Trong những năm gần đây, loại trục cũng được sử dụng trong các tổ máy cỡ lớn và trung bình.
Máy phát điện của cụm ống kéo dài trục được lắp đặt bên ngoài đường dẫn nước, và máy phát điện được nối với tuabin bằng một trục nghiêng dài hơn hoặc trục nằm ngang. Cấu trúc kiểu kéo dài trục này đơn giản hơn so với kiểu hình bóng đèn.
4) Tuabin dòng chéo. Cấu trúc và kích thước của tuabin dòng chéo (còn gọi là tuabin chéo) nằm giữa tuabin dòng hỗn hợp và tuabin dòng hướng trục. Sự khác biệt chính là đường tâm của các cánh quạt tạo một góc nhất định với đường tâm của tuabin. Do đặc điểm cấu trúc, thiết bị không được phép chìm trong quá trình hoạt động, vì vậy một thiết bị bảo vệ tín hiệu dịch chuyển hướng trục được lắp đặt trong cấu trúc thứ hai để ngăn ngừa tai nạn va chạm giữa cánh quạt và buồng tuabin. Phạm vi cột áp sử dụng của tuabin dòng chéo là 25～200m.