XÂM THỤC TURBINE (Turbine cavitation)

Từ bảng 1 ta thấy, khi nhiệt độ của nước bằng 20⁰C, áp suất nước giảm xuống đến 0,24 m cột nước, thì nước sẽ sôi và bốc hơi. Giải thích: Hạ thấp áp suất chất lỏng đến áp suất hoá hơi thì trong chất lỏng hình thành các bọt khí, rồi các bọt khí tràn đầy chất lỏng, vì do trong chất lỏng có chứa nhiều hạt bụi là những hạt nhân hoà tan không khí trong chất lỏng (cũng cần nhắc rằng áp suất hoá hơi lại phụ thuộc vào nhiệt độ chất lỏng).

Sau khi hình thành bọt khí thì không thể tiếp tục duy trì áp suất thấp, bởi vì thể tích bọt khí chiếm chỗ sẽ tăng lên nhanh chóng. Khi áp suất tăng lên thì các bọt khí sẽ bị nén và ngưng tụ thành chất lỏng lúc này áp xuất thấp lại xuất hiện và lại hình thành bọt khí. Quá trình này diễn ra liên tục hình thành bọt khí.

Nghiên cứu dòng chảy trong BXCT của turbine  có thể nhận thấy dòng chảy ở đây có lưu tốc cao (làm giảm nhanh chóng áp suất) và mạch động áp lực lớn (mạch động áp lực chính là các quá trình biến thiên –dao động áp suất lớn theo chu kỳ rất bé, khoảng 0,1 giây). Khi áp suất hạ thấp xuống gần áp suất hoá hơi thì do có mạch động áp lực nên có thời điểm áp suất thấp hơn áp suất hoá hơi, hình thành vùng bọt khí cục bộ, rồi bọt khí bị phá vỡ khi áp suất tăng cao hơn áp suất hoá hơi. Càng hạ thấp áp suất thì số lượng bọt khí tăng lên nhanh chóng và các bọt khí cũng được hình thành và phá vỡ liên tục dưới dạng mạch động. Quá trình tồn tại bọt khí gồm hai pha : pha hình thành các bọt khí ở vùng áp suất thấp và pha phá vỡ các bọt khí ở vùng áp suất cao. Tại đây, hơi nước trong bọt khí ngưng tụ, hình thành lỗ trống làm cho nước chung quanh ập vào tâm bọt khí với tốc độ cao, nước va đập vào nhau mạnh tại tâm bọt khí  làm áp suất tại tâm bọt khí có thể lên tới hàng ngàn atmôtphe. Tại bề mặt kim loại do có các bọt khí bị phá vỡ liên tục sẽ tạo nên các va đập mạnh lên bề mặt kim loại một cách liên tục với tần số cao làm cho nó bị “mỏi” cơ học, dẫn đến bị phá huỷ, hình thành các lỗ hổng dày đặc như tổ ong, có khi sâu tới 10 ÷ 40 mm. Đi liền với sự phá huỷ cơ học còn có sự phá huỷ do điện phân và hoá học làm tăng nhanh tốc độ phá huỷ bề mặt kim loại.

1.2 Giải thích tác dụng điện phân :

Khi bọt khí bi nén trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao làm cho giữa các bộ phận phần nước qua của turbine  có sự chênh lệch về nhiệt độ (do xâm thực) hình thành các pin nhiệt điện. Dưới tác dụng của hiện tượng điện phân xảy ra trên bề mặt kim loại và hiện tượng phóng điện trong các bọt khí sẽ gây nên hiện tượng ăn mòn kim loại.

Ngoài ra trong quá trình xảy ra xâm thực luôn luôn kèm theo các phản ứng hóa học tại các điểm bị công phá. Một trong những sản phẩm của các phản ứng hóa học là các loại axit. Các axit này làm tăng khả năng ăn mòn kim loại. Điều này được khẳng định bằng thực nghiệm.Nếu thay các chi tiết bằng gốm, thủy tinh đặc biệt thì sự phá hoại ít đi.

Truy cập vào địa chỉ sau để xem clip giải thích hiện tượng tạo bọt khí trong BXCT: https://www.youtube.com/watch?v=ON_irzFAU9c

2. Các loại xâm thực

2.1. Xâm thực hình cánh

Xâm thực hình cánh là hiện tượng phổ biến đối với turbine  phản kích, thường phát sinh ở BXCT. Đặc biệt với turbine  phản kích, nó là bộ phận trực tiếp chuyển biến năng lượng, tác dụng của cánh turbine  là chuyển biến mômen động lượng của nước thành mômen động lực của BXCT, do đó mỗi cánh turbine  đều chịu một áp lực nước.

Mặt công tác cánh turbine  nói chung có áp lực dương, còn mặt sau của cánh turbine  có áp lực âm, hiệu số áp lực giữa 2 mặt cánh turbine  chính là yếu tố gây ra hợp lực tác dụng trên toàn bộ cánh turbine  và mômen lực của BXCT đối với trục turbine  là điều kiện cần để BXCT sinh công. Đồng thời áp suất mặt sau của cánh turbine  thường thấp lại là điều kiện làm phát sinh hiện tượng xâm thực. Lúc áp suất mặt sau của cánh turbine  giảm đến áp suất bốc hơi tất sẽ sản sinh xâm thực.Thông thường xâm thực nghiêm trọng nhất là vùng gần cửa ra bề sau của cánh turbine .

2.2. Xâm thực chân không

Xâm thực chân không là hiện tượng đặc biệt của turbine  phản kích, nghiêm trọng nhất đối với turbine  có cánh cố định, thông thường phát sinh ở chế độ công tác khác chế độ công tác thiết kế. Bởi vì ở những chế độ công tác khác của turbine  tức tình trạng dòng chảy vào không va và chảy ra thẳng góc của turbine  không còn nữa, thay thế bằng tình trạng chảy tách rời, va chạm, xoáy kết hợp với tình trạng quay của nước, sau BXCT hình thành vùng chân không trong ống hút. Khi áp suất giảm xuống tới áp suất bốc hơi sẽ sản sinh xâm thực.Loại xâm thực này gọi là vùng xâm thực chân không.

2.3. Xâm thực khe hở

Dòng chảy khi đi qua đường dẫn nhỏ hoặc khe hở cục bộ có hiện tượng tốc độ tăng vọt. Áp suất giảm sút gây ra hiện tượng xâm thực gọi là hiện tượng xâm thực khe hở.Xâm thực khe hở thường phát sinh ở các mặt tiếp xúc với nhau có nước rò qua biên như cánh hướng nước, các mặt 2 đầu cánh hướng nước, vòng chắn rò nước.Ngoài ra còn phát sinh ở các chỗ gồ ghề của các chi tiết máy; ở đó cục bộ sản sinh chân không và xâm thực. Phạm vi phá hoại của xâm thực khe hở thường nhỏ. Xâm thực khe hở thường nghiêm trọng đối với turbine  có cột nước công tác cao.

3. Các biện pháp phòng chống xâm thực

Muốn loại trừ hoặc để hạn chế tác hại do xâm thực đến mức thấp nhất, trong thực tế ngành turbine  thường sử dụng các biện pháp sau đây :

3.1 Xác định chiều cao hút Hs hợp lý. Chiều cao hút tính toán của turbine  phải xác định sao cho bằng chiều cao hút cho phép.Với chiều cao hút đó, một mặt sẽ đảm bảo turbine  làm việc không xảy ra xâm thực hoặc có xâm thực nhẹ với mức độ cho phép, đồng thời đảm bảo cho turbine  không lắp đặt ở độ sâu quá thấp so với mực nước hạ lưu (Hs) kinh tế.Chẳng hạn ở Nga, chiều cao hút Hs chọn sao cho độ sâu lớn nhất của turbine  so với mực nước hạ lưu thường khoảng 6 ¸ 8m. Nếu chọn nhỏ hơn phạm vi nói trên sẽ làm tăng khối lượng xây dựng và giá thành phần dưới nước của NMTĐ.

3.2 Nghiên cứu và hoàn thiện các kiểu BXCT: Chế tạo BXCT sao cho có thể giảm hệ số xâm thực, có nghĩa là đảm bảo cho turbine  có chiều cao hút lớn hơn. Đồng thời việc giảm hệ số xâm thực sẽ cho phép tăng phạm vi cột nước sử dụng của các kiểu turbine. Chính vì vậy người ta có thể sử dụng turbine  tâm trục với cột nước H = 700m.

3.3 Vật liệu chế tạo BXCT:  Một trong các biện pháp bảo vệ các bộ phận của phần nước chảy qua của turbine  khỏi bị phá hoại do tác dụng xâm thực là chọn hợp lý các nguyên vật liệu chế tạo.

3.4 Biện pháp hạn chế xâm thực trong vận hành NMTĐ : Duy trì turbine  làm việc ở chế độ không khí thực hoặc xâm thực chỉ biểu hiện ở mức nhẹ. Luôn vận hành turbine ở chế độ cho phép trong thiết kế.

3.5 Dẫn không khí vào phía dưới BXCT để làm giảm bớt khí thực và giảm áp lực mạch động:  Nếu không khí được dẫn đúng nơi và số lượng không khí vừa phải thì có thể làm giảm độ rung máy( sử ống van phá chân không ).

4. Hiện tượng không ổn định khi vận hành non tải có thể giải thích như sau:

4.1  Hiện tượng xoáy trung tâm

Khi bánh công tác quay ở tốc độ bình thường, dòng nước xả ra từ ống hút chảy theo hướng trục và mômen lớn nhất được tạo ra. Tuy nhiên, nếu lưu lượng thay đổi, góc ra dòng chảy cũng thay đổi.

Khi tốc độ xoáy của dòng chảy từ BXCT vượt quá một mức nhất định, xuất hiện một khoảng chân không bên trong ống hút dưới BXCT.Hiện tượng này gọi là “Xoáy trung tâm”.

Khi lưu lượng dòng chảy tăng, góc ra trở nên lớn hơn, phát sinh hiện tượng xoáy trung tâm có hướng ngược với hướng quay của BXCT.

Khi lưu lượng dòng chảy giảm, góc ra trở nên nhỏ hơn, xoáy trung tâm có hướng cùng chiều với chiều quay của BXCT.

Khi xoáy trung tâm trở nên nhiễu loạn, chấn động xuất hiện, công suất phát của turbine  có thể giảm xuống. 

Khi xoáy trung tâm phát sinh trong trường hợp đầy tải, có lượng nước rất lớn trong ống hút, do vậy tương đối ổn định và không có vấn đề gì đặc biệt xảy ra.Tuy nhiên, nếu xoáy trung tâm phát sinh tải nhỏ, sẽ dẫn đến dao động. Nó phát sinh và mất dần trong một chu kì lặp lại không đổi, sóng chu kì cũng phát sinh trong ống hút và kết quả là sự rung động được truyền ra bên ngoài.

4.2. Hiện tượng xoáy cục bộ

Ngoài xâm thực và xoáy trung tâm, sự rung động cũng có thể phát sinh bởi “Xoáy cục bộ”, loại xoáy có thể phát sinh riêng lẻ dọc theo dòng chảy qua các cánh BXCT.“Xoáy cục bộ” phát sinh tương đối thường xuyên dọc theo dòng chảy.
Các biện pháp khắc phục

Ống cấp không khí đưa dòng không khí tới vùng trống chân không và khử chân không. 

Các gờ (xem hình) được bố trí để kiềm chế các thành phần lưu tốc trong dòng xoáy ở ống hút và các gờ này ngăn cản phát sinh xoáy trung tâm.

4.3. Vấn đề rung chấn :

Một vấn đề cần lưu ý nữa trong vận hành tổ máy là vấn đề rung của tổ máy. Trong vận hành không cho phép tổ máy làm việc ở chế độ phụ tải và cột nước mà

ở đó máy rung vượt quá trị số cho phép. Máy rung mạnh sẽ làm giảm độ bền và nền móng chóng hư hỏng. Nguyên nhân máy rung có nhiều, thường là do các nguyên nhân sau (đối với tổ máy trung bình và lớn) :

            - Rung do mặt bích nối trục bị nghiêng làm trục tổ máy vênh, không thẳng.
            - Rung do trục quay và mặt phẳng tựa tại ổ đỡ không thẳng góc.
            - Rung do phân bố vật chất tại phần quay (rôto) không đồng đều, trọng tâm không nằm trên trục quay.

            - Rung do lực điện từ phân bố không đều khi quay.

            - Rung do áp lực nước tác dụng không đều khi quay.

            - Rung do khuyết tật tại ổ đỡ, ổ hướng.

            - Rung do bulông móng không chặt

            - Rung do hiện tượng xâm thực của turbine.