Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tua-bin Francis

Tổng thể tua-bin Francis và các bộ phận chính.

Tua-bin Francis là gì?

Tua-bin Francis là một loại tua-bin thủy lực phản kích được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy thủy điện. Khác với tua-bin xung kích như Pelton, quá trình truyền năng lượng ở tua-bin Francis diễn ra trong điều kiện nước tác động lên Runner bởi cả động năng và áp năng.

Trong tua-bin Francis, nước từ hệ thống dẫn nước đi vào vỏ xoắn (Spiral Casing), sau đó được phân phối xung quanh Runner thông qua hệ thống cánh hướng nước (Wicket Gates/Guide Vanes). Khi đi qua Runner, dòng nước truyền năng lượng cho các cánh Runner làm trục tua-bin quay. Sau đó nước được dẫn ra hạ lưu thông qua ống hút (Draft Tube).

Một đặc điểm quan trọng của Francis là dòng nước thường đi vào Runner theo phương gần hướng kính và đổi hướng để thoát ra theo phương gần hướng trục. Cấu trúc này cho phép tua-bin đạt công suất lớn và phù hợp với nhiều điều kiện thủy lực khác nhau.

1. Đặc điểm làm việc của tua-bin Francis

Francis thuộc nhóm tua-bin phản kích. Trong quá trình làm việc, áp suất của nước thay đổi khi dòng chảy đi qua Runner, đồng thời động lượng của dòng nước cũng được biến đổi để tạo mô-men quay.

Theo tài liệu của U.S. Department of Energy, Francis là một trong hai dạng tua-bin phản kích phổ biến, bên cạnh nhóm tua-bin cánh quạt/Kaplan. Francis thường được sử dụng trong các hệ thống có cột nước và lưu lượng phù hợp với đặc tính thiết kế của máy.

Một số đặc điểm chính:

• Runner có các cánh cố định.
• Lưu lượng được điều chỉnh bằng hệ thống cánh hướng.
• Nước được phân phối quanh Runner.
• Dòng nước thay đổi hướng khi đi qua Runner.
• Nước sau Runner đi vào Draft Tube.
• Trục tua-bin có thể bố trí đứng hoặc ngang tùy thiết kế.
• Có thể sử dụng cho tổ máy công suất từ nhỏ đến rất lớn.

Francis được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy thủy điện vì có khả năng đáp ứng nhiều điều kiện vận hành và có thể thiết kế cho những tổ máy công suất rất lớn. ANDRITZ hiện giới thiệu Francis cho các ứng dụng cột nước trung bình đến khoảng 700 m và công suất tới khoảng 800 MW/tổ máy; Voith công bố các thiết kế Francis với cột nước tới khoảng 600 m và công suất rất lớn. Đây là dải ứng dụng của sản phẩm/thiết kế cụ thể, không nên hiểu là giới hạn chung cho mọi tua-bin Francis.

Sơ đồ tuyến công trình thủy điện minh họa.

Dòng chảy và cấu tạo tổng thể của tua-bin Francis.

2. Cấu tạo tổng thể của tua-bin Francis

Một hệ thống tua-bin Francis điển hình gồm nhiều bộ phận cơ khí và thủy lực liên kết với nhau.

Các bộ phận chính gồm:

1. Đường ống áp lực.

2. Van chính hoặc thiết bị đóng dòng.

3. Vỏ xoắn – Spiral Casing.

4. Cánh hướng cố định/Stay Vanes.

5. Cánh hướng nước – Wicket Gates.

6. Runner.

7. Trục tua-bin.

8. Ổ hướng và ổ chặn tùy cấu hình tổ máy.

9. Phớt trục.

10. Ống hút – Draft Tube.

11. Máy phát điện.

12. Bộ điều tốc – Governor.

13. Hệ thống dầu áp lực/OPU.

14. Các hệ thống phụ trợ và đo lường.

Cấu hình thực tế có thể khác nhau tùy công suất, cột nước, tốc độ quay, phương án bố trí trục và yêu cầu của nhà máy.

Vỏ xoắn Spiral Casing của tua-bin Francis.

3. Vỏ xoắn – Spiral Casing

Spiral Casing, thường gọi là vỏ xoắn, có nhiệm vụ tiếp nhận nước từ đường ống áp lực và phân phối nước tương đối đều quanh chu vi bộ phận dẫn hướng trước khi nước đi vào Runner.

Vỏ xoắn thường có dạng tiết diện thay đổi theo vị trí quanh chu vi. Một trong những lý do là lưu lượng nước còn lại trong vỏ xoắn giảm dần khi nước được phân phối vào hệ thống cánh hướng.

Tài liệu của DOE mô tả vỏ xoắn hiện đại là bộ phận phân phối nước đến hệ thống cánh hướng và Runner; tiết diện của vỏ xoắn thường giảm dần theo chiều dòng nước quanh chu vi.

Các chức năng chính:

• Phân phối nước quanh Runner.
• Giảm sự không đồng đều của dòng chảy.
• Duy trì điều kiện thủy lực phù hợp trước cánh hướng.
• Chịu áp lực nước của hệ thống.

Vỏ xoắn thường được chế tạo bằng kết cấu thép hoặc kết cấu phù hợp với thiết kế và điều kiện áp lực của tổ máy.

Cánh hướng nước tĩnh Stay Vanes.

Cánh hướng nước động Guide Vanes và Wicket Gates.

4. Cánh hướng nước – Guide Vanes và Wicket Gates

Đây là một trong những bộ phận quan trọng nhất của tua-bin Francis.

Hệ thống cánh hướng có hai nhiệm vụ chính:

• Điều chỉnh lưu lượng nước đi vào Runner.
• Điều chỉnh hướng dòng nước trước khi vào Runner.

Các cánh hướng được bố trí thành vòng quanh Runner. Khi góc mở thay đổi, diện tích dòng chảy thay đổi, từ đó thay đổi lưu lượng nước qua tua-bin.

Các cánh hướng thường được liên kết với vòng điều chỉnh – Regulating Ring thông qua hệ thống cần liên kết. ANDRITZ mô tả cơ cấu cánh hướng được liên kết với regulating ring và được điều khiển bởi các servo motor tác động kép.

DOE cũng cho biết hệ thống cánh hướng của Francis thường gồm nhiều cánh được liên kết để chuyển động đồng bộ, đồng thời điều chỉnh cả lưu lượng và góc dòng nước đi vào Runner.

Bánh xe công tác Runner của tua-bin Francis.

Mặt cắt cấu tạo Runner.

Thông số và kích thước Runner.

5. Runner – Bộ phận biến đổi năng lượng chính

Runner là bộ phận trực tiếp nhận năng lượng từ dòng nước và biến đổi thành mô-men cơ học làm quay trục tua-bin.

Runner Francis gồm:

• Moay-ơ hoặc Hub.
• Các cánh Runner.
• Các vùng liên kết với Hub và vành ngoài tùy thiết kế.
• Các bề mặt thủy lực được gia công chính xác.

Khác với Kaplan, cánh Runner Francis thông thường là cánh cố định. Việc điều chỉnh công suất chủ yếu được thực hiện bằng hệ thống cánh hướng.

Khi nước đi qua Runner, hướng và tốc độ dòng nước thay đổi. Sự thay đổi động lượng kết hợp với biến đổi áp suất tạo ra lực tác dụng lên cánh Runner và sinh ra mô-men quay.

Trục tua-bin Francis.

6. Trục tua-bin Francis

Trục tua-bin có nhiệm vụ truyền mô-men từ Runner đến máy phát điện.

Tùy thiết kế, Francis có thể sử dụng:

• Trục đứng.
• Trục ngang.

Đối với các nhà máy thủy điện công suất lớn, phương án trục đứng thường được sử dụng rộng rãi vì phù hợp với bố trí tổ máy lớn.

Trục phải đảm bảo:

• Độ bền cơ học.
• Độ cứng cần thiết.
• Độ đồng tâm.
• Khả năng chịu mô-men xoắn.
• Khả năng làm việc ổn định ở tốc độ quay thiết kế.

Trục tua-bin cũng liên quan trực tiếp đến hệ thống ổ hướng, ổ chặn, phớt trục và rotor máy phát.

Ổ hướng Guide Bearing.

Ổ chặn Thrust Bearing.

Phớt trục Shaft Seal.

7. Ổ hướng và ổ chặn

Trong quá trình vận hành, tổ máy chịu nhiều lực khác nhau.

Ổ hướng giúp duy trì vị trí tương đối của trục và hạn chế chuyển động ngang.

Ổ chặn có nhiệm vụ chịu tải trọng dọc trục của tổ máy. Tải trọng này có thể phát sinh từ lực thủy lực tác dụng lên Runner, trọng lượng các bộ phận quay và các thành phần tải khác tùy cấu hình.

Tình trạng của ổ hướng và ổ chặn có ảnh hưởng trực tiếp đến:

• Độ rung.
• Nhiệt độ ổ.
• Độ ổn định của trục.
• Tuổi thọ tổ máy.

Ống hút Draft Tube.

Mặt cắt cấu tạo ống hút Draft Tube.

8. Ống hút – Draft Tube

Sau khi nước ra khỏi Runner, dòng nước đi vào Draft Tube.

Draft Tube có hình dạng mở rộng dần nhằm hỗ trợ quá trình giảm vận tốc dòng nước và thu hồi một phần động năng của dòng chảy dưới dạng áp năng.

Đây là bộ phận rất quan trọng đối với hiệu suất và điều kiện làm việc của tua-bin Francis.

Thiết kế Draft Tube phải xem xét:

• Lưu lượng.
• Vận tốc dòng chảy.
• Hình dạng Runner.
• Chiều cao đặt tua-bin.
• Mực nước hạ lưu.
• Nguy cơ xâm thực.
• Dao động áp suất.

Các nghiên cứu kỹ thuật về Francis cũng cho thấy Draft Tube là một trong những khu vực quan trọng cần phân tích về dòng chảy không ổn định và dao động áp suất, đặc biệt khi tổ máy làm việc ngoài điểm thiết kế.

Xâm thực trên Runner.

Cơ chế xâm thực Cavitation.

9. Hiện tượng xâm thực – Cavitation

Xâm thực là một trong những vấn đề quan trọng đối với tua-bin Francis.

Khi áp suất cục bộ trong dòng nước giảm xuống dưới điều kiện hình thành bọt hơi, các bọt hơi có thể hình thành và sau đó sụp đổ khi đi đến vùng áp suất cao hơn.

Quá trình này có thể gây:

• Rỗ bề mặt kim loại.
• Mòn Runner.
• Mòn Draft Tube.
• Tăng rung.
• Tăng tiếng ồn.
• Suy giảm hiệu suất.
• Làm giảm tuổi thọ thiết bị.

Do đó, thiết kế Runner, Draft Tube, cao trình đặt tua-bin và điều kiện vận hành đều phải được xem xét để hạn chế xâm thực.

Trong thực tế sửa chữa tua-bin Francis, xâm thực và xói mòn là những dạng hư hỏng được quan tâm đối với Runner, cánh hướng và các bộ phận thủy lực.

Máy phát điện Generator.

Hệ thống kích từ Excitation System.

10. Máy phát điện

Runner truyền mô-men quay qua trục đến rotor máy phát điện.

Máy phát điện biến đổi:

Năng lượng cơ học → năng lượng điện

Một tổ máy thủy điện Francis vì vậy có thể hiểu đơn giản theo chuỗi:

Hồ chứa → đường ống áp lực → tua-bin → trục → máy phát → máy biến áp → lưới điện

Tua-bin đảm nhiệm quá trình biến đổi năng lượng thủy lực thành cơ năng, còn máy phát thực hiện quá trình biến đổi cơ năng thành điện năng.

Bộ điều tốc Governor và hệ thống dầu áp lực OPU.

11. Bộ điều tốc – Governor

Governor là hệ thống điều khiển quan trọng của tổ máy thủy điện.

Nhiệm vụ cơ bản của Governor là điều khiển độ mở cánh hướng theo yêu cầu vận hành.

Khi phụ tải thay đổi, Governor có thể điều chỉnh cánh hướng để thay đổi lưu lượng nước qua Runner, qua đó thay đổi công suất cơ của tua-bin.

Một hệ thống điều tốc hiện đại thường bao gồm:

• Bộ điều khiển.
• Cảm biến tốc độ.
• Cơ cấu chấp hành.
• Hệ thống dầu áp lực.
• Servo motor.
• Cơ cấu liên kết cánh hướng.
• Các chức năng giới hạn và bảo vệ.

12. Hệ thống dầu áp lực – OPU

Hệ thống dầu áp lực, thường gọi là OPU – Oil Presure Unit, cung cấp năng lượng thủy lực cho các servo motor điều khiển cơ cấu cánh hướng.

Một OPU điển hình có thể gồm:

• Bơm dầu.
• Động cơ điện.
• Bình tích áp.
• Van điều khiển.
• Bộ lọc.
• Đường ống dầu.
• Thiết bị đo áp suất.
• Thiết bị giám sát mức dầu.
• Cơ cấu an toàn.

Áp suất dầu được sử dụng để tạo lực đủ lớn nhằm đóng/mở hệ thống cánh hướng.

Đây là một trong những hệ thống phụ trợ quan trọng của tổ máy Francis.

Nguyên lý hoạt động của tua-bin Francis.

13. Nguyên lý hoạt động của tua-bin Francis

Quá trình làm việc có thể mô tả theo các bước sau.

Bước 1: Nước từ hồ chứa đi vào hệ thống dẫn nước

Nước từ hồ chứa hoặc nguồn nước được dẫn qua hệ thống cửa nhận nước và đường ống áp lực.

Thế năng của nước được chuyển dần thành năng lượng dòng chảy.

Bước 2: Nước đi vào Spiral Casing

Nước đi vào vỏ xoắn.

Spiral Casing phân phối nước quanh chu vi của tua-bin trước khi nước đi qua hệ thống cánh hướng.

Bước 3: Cánh hướng điều chỉnh lưu lượng

Nước đi qua Stay Vanes và Wicket Gates.

Góc mở của Wicket Gates quyết định lượng nước đi vào Runner.

Bước 4: Nước tác động lên Runner

Dòng nước đi vào Runner và truyền năng lượng cho các cánh.

Runner quay và tạo mô-men cơ học trên trục.

Bước 5: Trục truyền mô-men đến máy phát

Trục tua-bin truyền chuyển động quay đến rotor máy phát.

Bước 6: Máy phát tạo điện

Rotor quay trong từ trường và tạo ra điện năng.

Bước 7: Nước đi qua Draft Tube

Sau khi truyền năng lượng cho Runner, nước đi vào Draft Tube rồi chảy về hạ lưu.

Toàn bộ quá trình có thể tóm tắt:

Thế năng của nước → năng lượng dòng chảy → năng lượng cơ học → năng lượng điện

Chuyển đổi năng lượng trong tua-bin Francis.

14. Điều chỉnh công suất của tua-bin Francis

Công suất của tua-bin phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó lưu lượng và cột nước là hai thông số rất quan trọng.

Về mặt lý thuyết, công suất thủy lực có thể biểu diễn:

Pₕ = ρgQH

Trong đó:

• Pₕ: công suất thủy lực, W.
• ρ: khối lượng riêng của nước, kg/m³.
• g: gia tốc trọng trường, m/s².
• Q: lưu lượng nước, m³/s.
• H: cột nước hữu ích, m.

Công suất cơ/điện thực tế có thể biểu diễn gần đúng:

P = ηρgQH

Trong đó η là hiệu suất tổng thể tương ứng với phạm vi tính toán.

Ví dụ:

Nếu:

• Q = 100 m³/s
• H = 100 m
• η = 0,94
• ρ ≈ 1.000 kg/m³
• g ≈ 9,81 m/s²

thì:

P ≈ 0,94 × 1.000 × 9,81 × 100 × 100

≈ 92,2 MW

Đây là ví dụ tính toán minh họa; công suất thực tế phải sử dụng các thông số thủy lực và hiệu suất của tổ máy cụ thể.

15. Hiệu suất tua-bin Francis

Hiệu suất của Francis phụ thuộc vào:

• Thiết kế Runner.
• Hình dạng cánh.
• Cột nước.
• Lưu lượng.
• Tốc độ quay.
• Tổn thất trong Spiral Casing.
• Tổn thất qua cánh hướng.
• Tổn thất trong Runner.
• Tổn thất trong Draft Tube.
• Khe hở và tình trạng bề mặt.
• Điều kiện vận hành.

Không nên sử dụng một giá trị hiệu suất cố định cho mọi tua-bin Francis.

Các nhà sản xuất công bố những mức hiệu suất khác nhau tùy thiết kế. Ví dụ, ANDRITZ nêu hiệu suất trên 96% cho dòng Francis của họ trong điều kiện phù hợp, trong khi tài liệu của ANDRITZ cũng có những thiết kế được công bố tới khoảng 97%. Đây là thông số của thiết kế/sản phẩm cụ thể chứ không phải hiệu suất cố định của mọi Francis.

16. Tổn thất năng lượng trong tua-bin Francis

Các tổn thất có thể xuất hiện tại nhiều vị trí.

Tổn thất trong đường dẫn nước

Do ma sát và thay đổi hướng dòng chảy.

Tổn thất trong Spiral Casing

Dòng nước không đồng đều hoặc thiết kế không tối ưu có thể làm tăng tổn thất.

Tổn thất qua cánh hướng

Xuất hiện do ma sát và biến đổi dòng chảy.

Tổn thất trong Runner

Liên quan đến hình dạng cánh, ma sát, dòng xoáy và điều kiện vận hành.

Tổn thất trong Draft Tube

Nếu thiết kế không phù hợp, khả năng thu hồi động năng có thể giảm.

Tổn thất cơ khí

Bao gồm tổn thất tại ổ trục, phớt và các bộ phận quay.

So sánh Pelton, Francis và Kaplan.

17. Tua-bin Francis so với Pelton và Kaplan

Đặc điểm	Pelton	Francis	Kaplan
Loại	Xung kích	Phản kích	Phản kích
Hướng dòng chính	Tia nước tác động lên gáo	Hướng kính → hướng trục	Chủ yếu hướng trục
Runner	Gáo	Cánh cố định	Cánh thường điều chỉnh được
Điều chỉnh lưu lượng	Kim phun/vòi phun	Cánh hướng	Cánh hướng + cánh Runner
Ứng dụng điển hình	Cột nước cao, lưu lượng nhỏ hơn	Phạm vi trung gian/rộng tùy thiết kế	Cột nước thấp, lưu lượng lớn
Draft Tube	Không theo cấu hình Francis	Có	Có
Khả năng điều chỉnh	Tốt	Tốt	Rất rộng
Ứng dụng	Thủy điện cột nước cao	Nhiều nhà máy thủy điện	Thủy điện cột nước thấp

DOE phân biệt Pelton là tua-bin xung kích, trong khi Francis và Kaplan thuộc nhóm tua-bin phản kích. Francis thường được sử dụng cho điều kiện trung bình đến cao tùy thiết kế, còn Kaplan phù hợp hơn với cột nước thấp và lưu lượng lớn.

18. Ưu điểm của tua-bin Francis

18.1. Phạm vi ứng dụng rộng

Francis có thể được thiết kế cho nhiều điều kiện cột nước và lưu lượng.

18.2. Công suất lớn

Francis có khả năng đáp ứng các tổ máy công suất rất lớn. Các nhà sản xuất như Voith và ANDRITZ hiện có các thiết kế Francis ở cấp công suất hàng trăm MW mỗi tổ máy.

18.3. Hiệu suất cao

Khi được thiết kế và vận hành gần điều kiện tối ưu, Francis có thể đạt hiệu suất cao.

18.4. Kết cấu phù hợp cho nhà máy lớn

Cấu hình Francis phù hợp với nhiều kiểu bố trí nhà máy thủy điện.

18.5. Công nghệ đã phát triển lâu đời

Francis là một trong những loại tua-bin thủy lực được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.

19. Nhược điểm của tua-bin Francis

Bên cạnh ưu điểm, Francis cũng có một số vấn đề cần quan tâm:

• Thiết kế thủy lực phức tạp.
• Runner yêu cầu độ chính xác cao.
• Nhạy cảm với hiện tượng xâm thực.
• Cánh Runner có thể chịu xói mòn.
• Cánh hướng và cơ cấu liên kết cần bảo dưỡng.
• Có thể xuất hiện dao động áp suất ở một số chế độ vận hành.
• Hiệu suất thay đổi theo điểm làm việc.
• Chi phí sửa chữa các bộ phận lớn có thể cao.

Đặc biệt, hiện tượng dòng chảy không ổn định ở chế độ tải thấp hoặc ngoài điểm thiết kế có thể tạo dao động áp suất và ảnh hưởng đến độ rung cũng như độ bền của tổ máy.

Tua-bin Francis trong nhà máy thủy điện.

20. Ứng dụng của tua-bin Francis

Francis được sử dụng trong nhiều loại nhà máy thủy điện.

Nhà máy thủy điện hồ chứa

Nước được tích trữ trong hồ và điều tiết theo chế độ vận hành.

Nhà máy thủy điện đường dẫn

Nước được dẫn từ khu vực có cao trình lớn đến nhà máy.

Nhà máy thủy điện vừa và lớn

Francis có thể được sử dụng cho các tổ máy công suất lớn.

Nhà máy thủy điện tích năng

Francis có thể được sử dụng dưới dạng pump-turbine trong các nhà máy thủy điện tích năng.

Một ví dụ là nhà máy Goldisthal ở Đức sử dụng các tổ máy pump-turbine Francis với công suất 265 MW/tổ máy và cột nước khoảng 301,65 m.

Bảo dưỡng và phục hồi Runner.

21. Bảo dưỡng tua-bin Francis

Bảo dưỡng tua-bin Francis cần được thực hiện theo kế hoạch của nhà máy và hướng dẫn của nhà chế tạo.

Các hạng mục thường được quan tâm gồm:

Runner

Kiểm tra:

• Xâm thực.
• Xói mòn.
• Nứt.
• Biến dạng.
• Hư hỏng bề mặt.

Cánh hướng

Kiểm tra:

• Độ mòn.
• Khe hở.
• Bạc và chốt.
• Cơ cấu liên kết.
• Khả năng đóng/mở.

Trục

Kiểm tra:

• Độ đảo.
• Độ rung.
• Tình trạng bề mặt.
• Kết nối với các bộ phận quay.

Ổ hướng và ổ chặn

Theo dõi:

• Nhiệt độ.
• Độ rung.
• Mức dầu.
• Chất lượng dầu.
• Khe hở.

Draft Tube

Kiểm tra:

• Xâm thực.
• Xói mòn.
• Nứt.
• Biến dạng.
• Tình trạng lớp lót.

Hệ thống điều tốc

Kiểm tra:

• Áp suất dầu.
• Servo motor.
• Van điều khiển.
• OPU.
• Cảm biến.
• Tín hiệu điều khiển.

Các nhà cung cấp dịch vụ hiện nay cũng tập trung vào kiểm tra/sửa chữa Runner, Wicket Gates, Governor, OPU, ổ hướng, phớt trục và Draft Tube trong quá trình đại tu Francis.

Hư hỏng Runner thực tế.

Các dạng hư hỏng thường gặp.

22. Các sự cố thường gặp

Một số vấn đề có thể xuất hiện trong quá trình vận hành:

Rung tăng cao

Nguyên nhân có thể liên quan đến:

• Mất cân bằng.
• Sai lệch trục.
• Ổ hướng.
• Điều kiện dòng chảy.
• Dao động áp suất.
• Xâm thực.

Nhiệt độ ổ tăng

Có thể liên quan đến:

• Thiếu dầu.
• Chất lượng dầu.
• Khe hở không phù hợp.
• Tải bất thường.
• Hệ thống làm mát.

Công suất giảm

Có thể liên quan đến:

• Lưu lượng không đủ.
• Cột nước giảm.
• Runner bị xâm thực.
• Cánh hướng hoạt động không đúng.
• Tổn thất thủy lực tăng.

Cánh Runner bị xâm thực

Có thể dẫn tới:

• Rỗ bề mặt.
• Mất vật liệu.
• Thay đổi hình dạng thủy lực.
• Giảm hiệu suất.

Dao động áp suất

Có thể xuất hiện ở một số chế độ tải và điều kiện thủy lực nhất định. Việc đánh giá cần dựa trên đo đạc thực tế và phân tích kỹ thuật.

23. Vận hành tua-bin Francis ngoài điểm thiết kế

Tua-bin Francis được thiết kế để đạt hiệu suất cao trong một vùng làm việc nhất định.

Khi vận hành quá xa điểm thiết kế, có thể xuất hiện:

• Hiệu suất giảm.
• Dao động áp suất.
• Rung tăng.
• Xâm thực.
• Tăng tải lên các bộ phận cơ khí.
• Điều kiện dòng chảy không ổn định.

Vì vậy, hệ thống điều khiển của nhà máy cần duy trì tổ máy trong vùng vận hành cho phép theo đặc tính của nhà chế tạo.

Không nên chỉ dựa vào một thông số đơn lẻ như công suất để đánh giá tình trạng tua-bin. Cần kết hợp:

Công suất + lưu lượng + cột nước + độ rung + nhiệt độ ổ + áp suất + vị trí cánh hướng + các tín hiệu bảo vệ.

Tua-bin Francis trục đứng.

Tua-bin Francis trục ngang.

24. Francis trục đứng và Francis trục ngang

Tùy công suất và điều kiện bố trí nhà máy, Francis có thể được thiết kế theo cấu hình:

Francis trục đứng

Ưu điểm:

• Phù hợp với tổ máy lớn.
• Bố trí tốt cho nhà máy có chiều cao lớn.
• Có thể tích hợp hệ thống máy phát lớn.

Nhược điểm:

• Kết cấu nhà máy phức tạp.
• Yêu cầu độ chính xác lắp đặt cao.

Francis trục ngang

Ưu điểm:

• Có thể đơn giản hóa một số cấu hình nhà máy.
• Thuận tiện trong một số dự án công suất nhỏ và vừa.
• Chiều cao nhà máy có thể giảm tùy thiết kế.

Nhược điểm:

• Không phải mọi điều kiện công suất/cột nước đều phù hợp.

Francis có thể được thiết kế theo cấu hình ngang hoặc đứng tùy yêu cầu dự án.

25. Vì sao tua-bin Francis được sử dụng rộng rãi?

Có thể tóm tắt những lý do chính như sau:

Thứ nhất, Francis có khả năng làm việc trong phạm vi điều kiện thủy lực rộng.

Thứ hai, cấu trúc Runner và hệ thống cánh hướng cho phép điều chỉnh lưu lượng.

Thứ ba, công nghệ Francis đã được phát triển trong thời gian dài.

Thứ tư, Francis có thể được thiết kế cho những tổ máy công suất rất lớn.

Thứ năm, Francis phù hợp với nhiều loại công trình thủy điện và cũng có thể phát triển thành pump-turbine cho thủy điện tích năng.

26. Câu hỏi thường gặp về tua-bin Francis

Tua-bin Francis là tua-bin xung kích hay phản kích?

Francis là tua-bin phản kích. Năng lượng truyền cho Runner liên quan đến cả áp năng và động năng của dòng nước.

Runner Francis có điều chỉnh góc cánh không?

Thông thường cánh Runner Francis là cố định. Việc điều chỉnh lưu lượng chủ yếu được thực hiện bằng hệ thống cánh hướng.

Cánh hướng Francis có tác dụng gì?

Cánh hướng điều chỉnh lưu lượng và hướng dòng nước đi vào Runner.

Spiral Casing dùng để làm gì?

Spiral Casing phân phối nước quanh chu vi bộ phận dẫn hướng trước khi nước đi vào Runner.

Draft Tube có tác dụng gì?

Draft Tube dẫn nước từ Runner ra hạ lưu và hỗ trợ thu hồi một phần động năng của dòng chảy.

Tua-bin Francis có bị xâm thực không?

Có. Xâm thực là một trong những vấn đề kỹ thuật quan trọng cần kiểm soát trong thiết kế và vận hành Francis.

Francis có thể dùng cho thủy điện tích năng không?

Có. Francis có thể được sử dụng dưới dạng pump-turbine trong các nhà máy thủy điện tích năng.

Francis và Kaplan khác nhau như thế nào?

Francis chủ yếu sử dụng Runner cánh cố định và điều chỉnh bằng cánh hướng, trong khi Kaplan có thể điều chỉnh cả cánh Runner và cánh hướng, giúp thích ứng tốt với phạm vi lưu lượng rộng.

Tua-bin Francis có công suất lớn không?

Có. Francis được sử dụng cho nhiều tổ máy thủy điện công suất lớn; các nhà sản xuất hiện công bố những thiết kế Francis ở cấp hàng trăm MW mỗi tổ máy.

27. Kết luận

Tua-bin Francis là một trong những loại tua-bin thủy lực quan trọng nhất trong ngành thủy điện hiện đại.

Cấu tạo của Francis gồm nhiều bộ phận phối hợp chặt chẽ, trong đó các thành phần quan trọng nhất là:

Spiral Casing → Stay Vanes → Wicket Gates → Runner → Shaft → Draft Tube

Trong quá trình vận hành, nước được đưa vào Spiral Casing, phân phối qua hệ thống cánh hướng rồi đi vào Runner. Năng lượng của dòng nước làm Runner quay, chuyển thành năng lượng cơ học trên trục và tiếp tục được máy phát biến đổi thành điện năng.

Khả năng làm việc với nhiều điều kiện thủy lực, công suất lớn và công nghệ phát triển lâu đời giúp Francis trở thành lựa chọn quan trọng cho nhiều dự án thủy điện. Tuy nhiên, để duy trì hiệu suất và độ tin cậy, cần đặc biệt chú ý đến Runner, cánh hướng, Draft Tube, ổ trục, hệ thống điều tốc, dao động áp suất và xâm thực.