Như chúng ta đã biết, ở  tuabin thủy lực Francis, các dao động áp lực thường xuất hiện trong ống hút ở chế độ vận hành non tải. Những dao động này có thể lớn đến mức không cho phép vận hành non tải dưới một mức giới hạn. Làm thế nào để tránh được sự hạn chế này hay chí ít là nới lỏng giá trị giới hạn cho đến nay vẫn là một mục tiêu nghiên cứu căn bản. Trong một số ít trường hợp, sự không ổn định có hại thậm chí còn xảy ra khi vận hành đầy tải. Bài viết này nhằm giải thích sự không ổn định khi vận hành đầy tải.

Thoma (1910) và Ackert (1930) đã nghiên cứu vấn đề không ổn định này của tuabin thủy lực Francis, tuy nhiên Deriaz (1960) mới là người đầu tiên đưa ra kiến giải dựa trên tiến động của con quay hồi chuyển. Ông cũng đã phát hiện ra mối tương quan mật thiết giữa dao động áp lực trong ống hút và các dải bọt khí xâm thực xoay (rotating cavitation rope) quan sát được ở hạ lưu mayơ bánh xe công tác. Dải thẳng (Hình 1, Ảnh 1) không gây ra hoặc chỉ gây ra các dao động nhỏ trong khi những dải hình xoắn ốc (Hình 2, Ảnh 2 xem trang bên) là rất nguy hiểm về mặt đó. Trong các thử nghiệm của Deriaz, tỉ lệ giữa tốc độ của hình xoắn ốc bọt khí xâm thực xoay và tốc độ trong ống hút là từ 14% đến 34%, và tỉ lệ này đối với nguyên mẫu cũng như đối với mô hình là xấp xỉ như nhau. Sau này, báo cáo của Giraud (1966) cho thấy biên độ các dao động cũng có những biến thiên tương tự trong mô hình cũng như trong nguyên mẫu. Như vậy là từ lâu, người ta đã biết rõ có thể nghiên cứu sự không ổn định về dòng chảy của các nguyên mẫu thông qua các 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, vậy mà dường như vấn đề vẫn chưa được giải quyết.

Hiện tượng không ổn định khi làm việc đầy tải còn ít được hiểu rõ hơn. Deriaz đề xuất ý tưởng cho rằng hiện tượng tạo bọt khí xâm thực cánh bánh xe công tác có thể đóng vai trò quan trọng đối với sự hình thành các dải bọt khí xâm thực hình xoắn ốc ở chế độ đầy tải. Gần đây, Brekke đã có báo cáo về các dao động công suất cỡ 50 đến 60 MW ở chế độ đầy tải đối với một nguyên mẫu công suất 315 MW. Ông đã tính toán tương tác giữa dải bọt khí xâm thực với các khoảng tích nước 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 khẳng định hiện tượng hẫng luân chuyển có thể là một cách giải thích khả dĩ nữa cho các đột biến khi đầy tải.

Thử nghiệm trên mô hình

Fay 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 ròng H=30 m, giữ không đổi trong suốt quá trình thử nghiệm. Sự phát triển của bọt khí xâm 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. Khi giảm s, hình thành dải bọt khí xâm thực thẳng (Ảnh 1), và trong điều kiện dòng chảy 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, thì dải bọt khí xâm thực hình xoắn ốc được hình thành (Ảnh 2). Tại những giá trị s nhỏ hơn, dải này biến thành các dải bọt khí bội (Ảnh 3), và sau đó thành những khối bọt khí xâm thực lớn (Hình 2).

Hiện tượng bọt khí xâm thực (cavitation) không gây ra dao động áp lực. Các dao động này cũng có mặt ở mô hình tại các giá trị s lớn khi hiện tượng bọt khí xâm thực bị triệt tiêu. Các dao động lúc này là do dòng nước hình xoắn ốc gây ra dẫn đến hình thành một trường áp lực xoáy. Các đường xoắn ốc đặc không có lõi bọt khí (tại điểm s lớn nhất trên Hình 2) có thể lại nguy hiểm hơn các dòng chảy với dải bọt khí xâm thực đơn (tại các giá trị s nhỏ hơn). Hiện tượng tạo bọt khí xâm thực chỉ khiến cho các đường dòng xoáy nhìn thấy được. Các dải bội ít nguy hiểm hơn, 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 so với bánh xe công tác. Hình xoắn ốc và do đó trường áp lực không còn đồng trục với bánh xe công tác nữa. Tại lối vào đoạn khuỷu, trong quá trình xoay một nửa của đường xoắn ốc, vùng áp lực thấp (lõi của đường xoắn ốc) di chuyển từ phía nguồn tới hạ lưu của ống hút, và do đó trở lực dòng chảy của ống hút thay đổi đồng pha với sự quay của dải bọt khí. Theo ý tưởng này, các dao động công suất là do những thay đổi về trở lực của ống hút gây ra.

Trong các ống hút thẳng, giống như các thiết kế tuabin Francis kiểu cổ, các dòng chảy 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 khí vào ở mayơ tuabin, khi đó áp lực tăng lên trong dây bọt khí xâm thực. Chênh lệch áp suất giữa dòng chảy chính và dây bọt khí xâm thực giảm đi. Các điều kiện dòng chảy tương tự như các điều kiện đo được tại các giá trị s nhỏ hơn. Như có thể thấy ở Hình 2, s giảm (hoặc lượng không khí cuốn vào tăng) sẽ tạo nên những dải bọt khí dày xoay đối xứng, và chúng không tạo ra các dao động trong ống khuỷu. Đó là một trong các lý do vì sao không khí cuốn vào giúp giảm các hiện tượng công suất đập mạch. Cũng dễ thấy trong Hình 2, không khí cuốn vào có thể tác động triệt tiêu dòng xoắn ốc mà không ảnh hưởng đáng kể tới hiệu suất.

Hình 3 chỉ ra vị trí của các điểm vận hành nói trên trong biểu đồ mô hình. Điểm A ứng với Hình 1 với dải bọt khí thẳng, và điểm B ứng với Hình 2 với dải bọt khí hình xoắn ốc.

Vùng hoạt động an toàn với sợi xoáy thẳng hoặc không có sợi xoáy nằm giữa hai vùng dòng chảy xoắn ốc (Hình 3). Cần lưu ý rằng chế độ vận hành tuabin như vậy hoàn toàn không có hiện tượng hẫng. Các điểm làm việc chạy của nguyên mẫu phải được đặt trong dải hoạt động an toàn này.

Nếu chẳng may điểm công suất lớn nhất của nguyên mẫu (góc trên bên trái của vùng nguyên mẫu) lại rơi vào trong dải các dòng chảy xoắn ốc, thì khi đó các đột biến về áp lực sẽ xuất hiện. Điều này có thể là lý do tại sao các dao động công suất lại xảy ra trong một số nguyên mẫu ở chế độ đầy tải.

Hẫng luân chuyển

Hẫng luân chuyển là hiện tượng phổ biến trong các máy nén khí và quạt gió. Nó cũng có thể xuất hiện trong các dòng chảy không nén được, như trong các bộ khuếch tán hướng tâm không có cánh hướng, và ở các cánh quay của bơm. Do vậy chẳng có lý do gì để hiện tượng hẫng luân chuyển không xảy ra trong các tuabin thủy lực gần các điều kiện hẫng cánh tuabin.

Hiện tượng hẫng đã được định nghĩa rõ ràng đối với các dòng chảy quanh các cánh đơn dạng khí động học (airfoil). Xem Hình 4. Nếu góc va (attack angle) của cánh dạng khí động học xấp xỉ bằng góc tới lý tưởng (ideal incidence angle) của nó, thì dòng chảy ra khỏi cánh dạng khí động học sẽ êm ả và có thể tạo ra một hệ số lực nâng đáng kể (đối với cánh dạng khí động học hẹp thì góc này là khoảng ±10o)

Nếu góc va khác nhiều so với góc lý tưởng thì dòng chảy ra khỏi cánh dạng khí động học sẽ là dòng chảy rối và hệ số nâng sẽ tụt xuống (hình 4). Điều kiện này được gọi là hẫng. Nó có thể xuất hiện hoặc ở cạnh hút hoặc ở cạnh áp lực của cánh dạng khí động học.

Hiện tượng hẫng cũng có thể xuất hiện ở bánh xe công tác Francis (hình 5) trên cạnh hút hay cạnh áp lực của cánh bánh xe công tác, tuỳ thuộc vào góc va là lớn hơn nhiều hay nhỏ hơn nhiều góc tối ưu. Hiện tượng hẫng xảy ra tại bánh xe công tác, ở vành đỉnh hoặc ở vành chân hoặc ở lưng chừng, tuỳ thuộc vào dạng hình học của bánh xe công tác.

Khái niệm cơ bản của hiện tượng hẫng luân chuyển được giải thích trong phần lý thuyết máy nén khí. Nếu các cánh của bánh xe công tác không hoàn toàn giống nhau, thì khi đó với góc va lớn hơn hoặc nhỏ hơn, một trong các cánh bánh xe sẽ bắt đầu bị hẫng. Dòng chảy trong kênh bị hẫng ảnh hưởng tới dòng chảy trong các kênh dòng chảy cạnh đó. Tuy nhiên, bởi vì các kênh cạnh nó đã gần như ở tình trạng bị hẫng nên chỉ cần một lực kéo nhỏ từ một phía cũng có thể làm hẫng một trong các kênh cạnh nó. Khi kênh cạnh nó bị hẫng thì hiện tượng hẫng biến mất trong kênh đầu tiên. Do đó, hiện tượng hẫng dịch chuyển từ cánh này sang cánh khác, luân chuyển trong bánh xe công tác.

Tại đầu phía hạ lưu của kênh bị hẫng, áp lực chắc chắn là nhỏ hơn ở các kênh khác. Vùng áp lực thấp ở hạ lưu kênh bị hẫng dịch chuyển lõi xoáy (tức là dải bọt khí) từ đường tâm hướng tới thành ống hút. Như vậy, hiện tượng hẫng di chuyển tạo ra đường xoáy xoay tròn cùng với vùng hẫng.

Lý thuyết về hiện tượng hẫng luân chuyển là rất phức tạp. Có các vùng hẫng bội khi có nhiều hơn một vùng hẫng luân chuyển đồng thời. Tuy nhiên, bắt đầu hiện tượng hẫng (chuyển từ dòng chảy đều đặn sang hẫng) thường bao gồm một vùng hẫng duy nhất trong một kênh duy nhất, và một vùng hẫng luân chuyển duy nhất sẽ tạo ra một xoắn ốc duy nhất trong dòng chảy. Bước phát triển tiếp theo của hiện tượng hẫng với sự thay đổi góc va có thể bao gồm nhiều kênh bị hẫng hơn, nhiều vùng hẫng luân chuyển bội, nhiều dòng xoáy bội và nhiều dải bọt khí xâm thực bội.

Lý thuyết trên về áp lực đập mạch trong tuabin Francis cũng giải thích vì sao tuabin Kaplan lại ít bị hiện tượng đập mạch này. Trong các tuabin Kaplan, hoạt động dựa trên đường cam, các cánh bánh xe công tác luôn luôn quay khớp với tốc độ chảy vào, và vì thế tránh được hiện tượng hẫng trong dải hoạt động thông thường.

Dựa trên điểm cuối này, cần phải lưu ý rằng các tuabin cánh quạt điều chỉnh đơn cánh hướng có thể có những vấn đề mất ổn định tương tự với trường xoáy của các dao động áp lực như ở các tuabin Francis, nhưng có lẽ với cường độ yếu hơn bởi vì chúng vận hành ở áp lực thấp hơn tức là cột nước thấp hơn.

Trong các nghiên cứu về dòng chảy xoắn ốc trong tuabin Francis, tốc độ đường xoắn ốc bằng khoảng từ 14% tới 53% tốc độ của bánh xe công tác. Trong các máy nén, tốc độ hẫng luân chuyển cũng vậy, chỉ bằng một phần của tốc độ rôto, dưới 50%. Điều này xem ra cho thấy có sự tương đồng nhất định giữa những dòng chảy này ở góc độ các dải xoáy được khai mào bởi hiện tượng hẫng.

Như vậy những luận điểm chính hỗ trợ cho nguyên lý về hiện tượng hẫng luân chuyển  tại bánh xe công tác tuabin Francis là:

Kết luận

Rôta dư, được cho là do hiện tượng bọt khí xâm thực ở tâm bánh xe công tác, gây ra sự xoáy tổng thể trong dòng chảy sau bánh xe công tác có cánh cố định, một dòng xoáy đồng trục với tuabin, lõi của nó gắn với hình côn bánh xe công tác. Không có lí do gì để nó phát triển thành hình xoắn ốc gắn với các cánh tuabin và lệch tâm so với bánh xe công tác. Vì vậy, hiện tượng hẫng luân chuyển có quan hệ lớn hơn với các lõi đường xoắn ốc, nếu như không nói là duy nhất.

Các dao động khi đầy tải cũng là bởi các dòng chảy hình xoắn ốc, hiện tượng hẫng có thể giải thích cho điều này, dựa trên mối tương quan với các kết quả thu được trong phòng thí nghiệm.

Các đặc tính hẫng luân chuyển vẫn chưa được khám phá hết. Tuy nhiên, nắm được cơ sở vật lý của sự mất ổn định có giúp các nhà thiết kế tuabin mẫu tạo ra các dạng tuabin với dải hoạt động an toàn rộng. Các nhà thiết kế và vận hành nguyên mẫu nên thận trọng và đặt các điểm làm việc của nguyên mẫu vào trong dải an toàn. Nếu không sẽ không có phương cách nào khắc phục sự mất ổn định ngoài việc để không khí cuốn vào.