Động cơ tuabin khí dùng nhiều trong lĩnh vực hàng không và các nhà máy điện công suất lớn.. Công sinh ra trong tuabin khí là do động năng của dòng khí chuyển động với vận tốc cao chuyển
Trang 1CHƯƠNG 12 TUABIN KHÍ
VÀ ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC
1 TUABIN KHÍ
1.1 Khái quát
Động cơ tuabine khí là một trong các loại động cơ nhiệt hiện đại
Động cơ tuabin khí dùng nhiều trong lĩnh vực hàng không và các nhà máy điện công suất lớn
Công sinh ra trong tuabin khí là do động năng của dòng khí chuyển động với vận tốc cao chuyển biến thành cơ năng
Trang 2Động cơ
khởi động
Máy nén
Không khí
Nhiên liệu
Buồng đốt
Sản phẩm cháy
1
2
3
4
Tuabin khí
Cấu tạo động cơ tuabin khí gồm 3 bộ phận chính:
- Máy nén khí: dùng để tạo dòng không khí có áp suất cao, đồng thời cung cấp oxy cho quá trình cháy nhiên liệu trong buồng đốt
- Buồng đốt: dùng để đốt cháy nhiên liệu tạo nên sản phẩm cháy (chất môi giới) có áp suất và nhiệt độ cao
- Tuabin khí: dòng sản phẩm cháy phun lên các cánh động của tuabin làm tuabin quay tạo ra cơ năng Một phần cơ năng được dùng để cung cấp công cho máy nén
Nguyên lý hoạt động: không khí được máy nén hướng trục nén từ áp suất p1
đến p2 theo quá trình đoạn nhiệt, sau đó được thổi vào buồng đốt, nhiên liệu được vòi phun phun vào, quá trình cáu trong buồng đốt cung cấp nhiệt lượng cho chu trình, sản phẩm cháy được đưa vào ống tăng tốc của tuabin (cánh tĩnh gắn trên thân tuabin), qua ống tăng tốc nhiệt độ và áp suất dòng khí giảm
xuống, tốc độ và động năng của dòng khí tăng lên, sau đó dòng khí được thổi vào hệ thống cánh gắn trên đĩa quay của tuabin (cánh động), ở đây động năng của dòng khí biến đổi thành cơ năng làm quay trục tuabin
Ưu điểm của tuabin khí so với động cơ đốt trong:
- Ma sát nhỏ nên hiệu suất cao
Trang 3- Độ rung động nhỏ, quay ổn định Vận tốc từ 3000vòng/phút trở lên
- Kích thước máy nhỏ phát công suất lớn
Nhược điểm: Yêu cầu vật liệu chế tạo chịu được nhiệt độ cao trong thời gian dài, công nghệ chế tạo cao Hiệu suất chưa thật cao so với động cơ đốt trong
1.2 Chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp (như hình trên)
Xem chất môi giới là khí lý tưởng
v
p
S
T
1
1
2
2
3
3
4
q1
q2
4
q1
q2
q = 0
q = 0
q = 0
q = 0
wT
wC
wT
wC
Quá trình thải khí ra môi trường (4-1) xem là đẳng áp vì liên tục (khác với ĐCĐT)
Công cấp vào máy nén:
wc = cp(T2 – T1), kJ/kg
Nhiệt lượng cấp vào chu trình:
q1 = cp(T3 – T2), kJ/kg
Công sinh ra của tuabin:
wT = cp(T3 – T4), kJ/kg
Công sinh ra của chu trình:
w = wT - wC
Hiệu suất nhiệt của chu trình:
Trang 41 q
w
t
Hệ số tự dùng bwr (back work ratio):
bwr =
T
C w
w , %
2 ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC
Động cơ phản lực là loại động cơ biến hoá năng của nhiên liệu thành động năng và đẩy động cơ về phía trước theo nguyên tắc phản lực
Máy nén
Nhiên liệu
Buồng đốt
1
4
Tuabin khí
a
Ống tăng áp
b
Ống tăng tốc
S
T
1
2
3
4
q1
q2
wT
wC a
b
Nguyên lý làm việc:
- Không khí được nén sơ bộ qua ống tăng áp; (quá trình 1-a)
- Sau đó không khí được nén tiếp tục nhờ máy nén; (quá trình a-2)
Trang 5- Quá trình cháy xảy ra trong buồng đốt; (quá trình 2-3)
- Quá trình giãn nở trong tuabin khí; (quá trình 3-b)
- Quá trình giãn nở qua ống tăng tốc để phun ra ngoài; (quá trình b-4) Một số giả thiết để tính toán:
- Công sinh ra của tuabin khí bằng công cấp vào máy nén:
wc = cp(T2 – Ta)
wT = cp(T3 – Tb)
wc = wT
- Lưu lượng khối lượng của môi chất lưu động trong ĐCPL tại mổi vị trí là như nhau
- Vận tốc không khí vào ĐCPL bằng vận tốc máy bay
- a 1; b 4
Dùng công thức trong phần 1.2 chương Lưu động và tiết lưu ta có các quan hệ sau: 12 cp(Ta T1)
) T T (
cp b
4
2
4
2
Lực đẩy F = G(4 1)
Công suất đẩy Wp = Fmb= G(4 1)mb; (mb 1)
Hiệu suất đẩy
1 Q
Wp
p
3 BÀI TẬP
Một máy bay phản lực bay với vận tốc 260m/s trong không trung có áp suất 0,35bar và nhiệt độ -40oC Tỷ số nén của máy nén là 10, nhiệt độ khí vào tuabin là 1100oC, lưu lượng không khí qua máy nén là 45kg/s Lấy cp=1kJ/kg.K Xác định:
Trang 6- Nhiệt độ và áp suất khí sau tuabin
- Vận tốc khí ra khỏi ống tăng tốc
- Hiệu suất đẩy của chu trình