Tua bin thủy lực là một thiết bị biến năng lượng của dòng chảy (dòng nước) thành cơ năng dẫn động máy phát điện tạo ra điện năng. Trong nhà máy thủy điện (NMTĐ) tua bin nước và máy phát điện được gọi là một tổ máy nhờ vậy năng lượng của dòng nước chảy qua bánh công tác của tua bin đã được chuyển đổi thành năng lượng điện năng.
Để nâng cao tính ổn định cũng như tăng công suất của tổ máy, tại NMTĐ không sử dụng trực tiếp năng lượng của dòng chảy tự nhiên mà cần phải xây một đập dâng nước và tích trữ nước trong hồ thủy điện. Mực nước của hồ càng cao thì khả năng sinh công suất càng lớn và dung tích của hồ chứa càng lớn thì tổ máy làm việc càng ổn định. Một công trình thủy điện bao gồm: hồ chứa và đập dâng, nhà máy thủy điện, thiết bị cơ khí thủy công. Cùng với đó là hệ thống máy móc thiết bị phục vụ giám sát vận hành hệ thống, bào trì và sửa chữa tổ máy.
Reservoir – Hồ chứa, Dam – Đập dâng; Spill way – Máng trượt cửa xả tràn/đập tràn; Fishway – Dòng chảy thủy sinh; Intake – Cửa nhận nước; Trash rack – Lưới chắn rác; Control gate – Cánh cửa nhận nước; Penstock – Đường dẫn áp lực; Turbine – Tua bin; Draft tube – Ống xả; Out flow – Dòng chảy hạ lưu; Generator – Máy phát điện; Transformer – Máy biến áp; Power house – Nhà máy thủy điện; Transmission – Hệ thống truyền tải điện
Hình 1 – Cấu tạo công trình NMTĐ sau đập
Thiết bị động lực chính của NMTĐ chính là tua bin thủy điện. Có nhiều loại tua bin thủy lực nhưng phổ biến là tua bin Kaplan, Francis, Pelton. Mỗi loại tua bin này có phạm vi làm việc khác nhau. Việc lựa chọn tua bin nào là do hai yếu tố cột nước thiết kế H và lưu lượng thiết kế Q quyết định:
- Tua bin Kaplan (tua bin phản lực) phù hợp với công trình NMTĐ có cột nước thấp (dưới 100 mm) và dung lượng hồ chứa nhỏ, lưu lượng dòng chảy qua tua bin nhỏ.
- Tua bin Pelton (tua bin xung lực) phù hợp cới công trình NMTĐ có cột nước cao (trên 200 m) và lưu lượng nhỏ.
- Tua bin Francis (tua bin phản lực) phù hợp với công trình NMTĐ có cột nước từ trung bình trở lên (trên 100 m) và lưu lượng lớn, dung lượng hồ chứa lớn.
Hình 2 – Phạm vi làm việc của tua bin nước
Hình 3 – Mặt cắt NMTĐ sử dụng tua bin Kaplan
Hình 4 – Tua bin Francis và cơ cấu điều khiển cánh hướng dòng
Hình 5 – Tua bin Pelton và mặt cắt đứng NMT Đ sử dụng tua bin Pelton
Tùy theo địa hình và loại tua bin được lựa chọn kết cấu nhà máy thủy điện có thể là:
- Nhà máy thủy điện sau đập (hình 1).
- Nhà máy thủy điện lòng sông sử dụng tua bin Kaplan dạng trục ngang hay còn gọi là tua bin bóng đèn (hình 6).
- Nhà máy thủy điện đường dẫn (hình 7).
Hình 6 – Mặt cắt đứng một NMTĐ lòng sông
Hình 7 – Công trình NMTĐ đường dẫn
Nguyễn Sơn Tùng – Bộ môn Kỹ thuật cơ khí,
khoa Cơ – Điện, Trường ĐH Mỏ – Địa chất
Trả lời