Phân tích cơ sở lý thuyết và mô phỏng đặc điểm cấu tạo, nguyên lý làm việc của thiết bị năng lượng tua bin khí tàu thủy

Song ngày nay và trong tương lai gần, thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy sẽ dần thay thế vì nó có những tính năng đáp ứng tốt những nhu cầu khách quan của con người như: Công suất l

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, phương tiện thủy đóng vai trò quan trọng trong đời sống của con người Phương tiện thủy đã, đang và sẽ phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu về kinh tế, vận tải, quân sự… ngày càng lớn của con người Chính vì lẽ đó mà thiết bị năng lượng tàu thủy cũng được chú trọng phát triển mạnh

Thiết bị năng lượng tàu thủy có công suất lớn, hiệu suất cao, tiết kiệm được nhiên liệu…sẽ là những ưu tiên đầu tiên để phát triển Nhiều thập niên gần đây, Thiết bị năng lượng diesel tàu thủy có nhiều tính năng ưu việt đã chiếm đa phần trong việc trang bị thiết bị năng lượng trên tàu thủy Song ngày nay và trong tương lai gần, thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy sẽ dần thay thế vì nó có những tính năng đáp ứng tốt những nhu cầu khách quan của con người như: Công suất lớn, tốc

độ cao…

Nắm bắt được vai trò và tầm quan trọng của loại thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy Được sự đồng ý của hiệu trưởng trường đại học Nha Trang, khoa kỹ thuật tàu thủy, các thầy trong bộ môn động lực tàu thủy Em được phân công thực hiện

khoá luận tốt nghiệp: ”Phân tích cơ sở lý thuyết và mô phỏng đặc điểm cấu tạo, nguyên lý làm việc của thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy” Do thầy Th.S

Phùng Minh Lộc hướng dẫn với nhiệm vụ chính:

 Tổng quan về thiết bị năng lượng tàu thủy

 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị năng lượng tuabin khí

 Mô phỏng đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị năng lượng tuabin khí

Với những yêu cầu đề tài đặt ra, qua hơn ba tháng, với sự hướng dẫn tận tình của thầy Th.S Phùng Minh Lộc và các thầy trong khoa, em đã cố gắn hoàn thành tốt nhất những yêu cầu của đề tài

Với kiến thức còn hạn hẹp, thời gian ngắn, hơn nữa đây là lĩnh vực tương đối mới, nên nội dung luận văn còn nhiều thiếu sót chưa đáp ứng được hết yêu cầu của luận văn Rất mong được sự góp ý của các thầy và các bạn để khoá luận này hoàn chỉnh hơn Nhân đây em xin chân thành cảm ơn thầy Th.S Phùng Minh Lộc, các thầy cô trong khoa kỹ thuật tàu thủy đã tận tình hướng dẫn em để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Nha Trang, ngày 01 tháng 11 năm 2007

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Đôn

1.1 Khái niệm, công dụng, thành phần và phân loại thiết bị năng tàu thủy 1.1.1 Khái niệm

Thiết bị năng lượng (TBNL) tàu thủy là tổ hợp các trang thiết bị (các động cơ nhiệt, các máy móc, thiết bị, đường ống và hệ thống), được dùng để biến năng lượng của nhiên liệu thành các dạng năng lượng: Cơ năng, điện năng và nhiệt năng,

và chuyển nó đến các hộ tiêu dùng (lai chân vịt, lai máy phát điện…)

1.1.2 Công dụng

Thiết bị năng lượng tàu thủy được dùng để biến đổi và chuyển các dạng năng lượng (cơ năng, điện năng và nhiệt năng) đến các hộ tiêu dùng Nhằm đảm bảo cho tàu hoạt động với tốc độ cho trước, chạy an toàn và tin cậy, đảm bảo sự làm việc bình thường của máy móc trong buồng máy, máy móc và các trang thiết bị trên mặt boong Ngoài ra, nó thực hiện nhiệm vụ chiếu sang bằng điện, đảm bảo hoạt động của các phương tiện hàng hải, sự điều khiển máy móc, hệ thống tín hiệu, thiết bị tự động Nó còn phục vụ các nhu cầu chung của tàu và nhu cầu sinh hoạt của thủy thủ đoàn và hành khách Hơn nữa, nó đảm bảo việc thực hiện các công đoạn sản xuất trên tàu chuyên dùng (như bốc xếp, chuyển tải… trên các công trình)

1.1.3 Thành phần TBNL tàu thủy

Thiết bị năng lượng tàu thủy bao gồm :

- Thiết bị năng lượng chính hay còn gọi là thiết bị động lực tàu, năng lượng của

nó được dùng để làm hoạt động thiết bị đẩy hoặc các máy móc sản xuất trên tàu chuyên dùng Nó gồm các động cơ chính (kể cả nồi hơi của thiết bị năng lượng tuabin hơi, các lò phản ứng hạt nhân của thiết bị năng lượng nguyên tử…), các máy

móc thiết bị phụ và hệ thống phục vụ chúng, hệ trục và bộ truyền động

- Thiết bị năng lượng phụ , đó là các máy móc biến đổi và sử dụng các dạng năng lượng đã nêu trên để đảm bảo sự hoạt động bình thường của các thiết bị năng lượng chính Thiết bị năng lượng phụ bao gồm các động cơ phụ (các cụm máy phát điện – diesel sự cố, các nồi hơi phụ và trạm ắcqui, các máy móc phụ, các thiết bị và

các hệ thống phục vụ chúng)

- Các máy móc và thiết bị của hệ thống chung toàn tàu (cấp thoát nước sinh hoạt, sưởi ấm, sấy nóng, thông gió và điều hoà không khí, hút khô, cứu hỏa, cứu đắm, dằn và cân bằng tàu, thu gom và xử lý nước thải…)

- Các hệ thống điều khiển, kiểm tra và bảo vệ từ xa của thiết bị năng lượng chính và thiết bị năng lượng phụ, các máy móc và các hệ thống chung toàn tàu

1.1.4 Phân loại thiết bị năng lượng tàu thủy

Có nhiều cách phân loại thiết bị năng lượng tàu thủy

 Theo loại nhiên liệu sử dụng phân ra:

- Thiết bị năng lượng sử dụng than

- Thiết bị năng lượng sử dụng dầu

- Thiết bị năng lượng sử dụng hạt nhân

 Theo loại môi chất công tác:

- Thiết bị năng lượng hơi nước

- Thiết bị năng lượng khí cháy

 Theo động cơ chính phân ra:

- Thiết bị năng lượng máy hơi nước

- Thiết bị năng lượng tuabin hơi

- Thiết bị năng lượng tuabin khí

- Thiết bị năng lượng động cơ đốt trong

 Theo chu trình công tác phân ra:

- Thiết bị năng lượng hoạt động theo chu trình kín (hơi nước)

- Thiết bị năng lượng hoạt động theo chu trình hở (hỗn hợp khí cháy)

 Theo phương thức truyền động phân ra:

- Thiết bị năng lượng truyền động trực tiếp

- Thiết bị năng lượng truyền động gián tiếp

- Thiết bị năng lượng truyền động điện

- Thiết bị năng lượng truyền động bằng chân vịt biến bước

 Theo số đường trục phân ra:

- Thiết bị năng lượng một đường trục

- Thiết bị năng lượng nhiều đường trục

1.2 Yêu cầu đối với TBNL tàu thủy

Thiết bị năng lượng tàu thủy cần phải thỏa mãn các yêu cầu kinh tế kỹ thuật và vận hành cơ bản sau:

- Phải kinh tế, nghĩa là giá thành đóng mới và các chi phí vận hành nó phải tối

ưu

- Thiết bị năng lượng chính cần phải đảm bảo tốc độ tàu cho trước, có chất lượng cơ động tốt ở tất cả các chế độ chuyển động của tàu và có độ bền cao

- Cung cấp các dạng năng lượng khác nhau cho các hộ tiêu dùng với tính kinh

tế cao trong quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng và điện năng

- Các quá trình điều khiển và điều chỉnh phải được tự động hoá

- Phải tin cậy, nghĩa là có xác suất làm việc không hỏng hóc tối ưu, đòi hỏi thời gian khắc phục những trục trặc ít nhất và đảm bảo khả năng làm việc trong trường hợp sự cố

- Khi làm việc không gây tác động độc hại đến người vận hành và không gây ô nhiễm môi trường xung quanh

- Có kích thước và khối lượng nhỏ

Nhưng trong thực tế khi sử dụng và vận hành các thiết bị năng lượng tàu thủy, tùy thuộc vào kiểu loại và công dụng của tàu mà có những yêu cầu đặc biệt chú trọng, ngược lại có những yêu cầu được xem nhẹ đi

1.3 Một số loại thiết bị năng lượng tàu thủy điển hình

1.3.1 TBNL diesel tàu thủy

Thiết bị năng lượng diesel là loại thiết bị năng lượng sử dụng động cơ diesel làm máy chính cho tàu Ngoài ra, phần lớn các động cơ phụ cũng là các động cơ diesel

Số lượng tàu trang bị thiết bị năng lượng diesel thường chiếm (95 ÷ 97) % số lượng các tàu đóng mới Dù rằng thiết bị năng lượng tuabin khí ngày càng chiếm ưu thế trên các tàu cỡ lớn, nhưng trong tương lai người ta dự đón rằng thiết bị năng lượng diesel sẽ là loại TBNL chủ yếu của tàu sông và sông pha biển

TBNL diesel tàu thủy được sử dụng phổ biến trên các tàu có công dụng khác nhau do chúng có những ưu điểm sau:

- Có khả năng tạo được tổ hợp công suất ở phạm vi lớn trên cơ sở các kiểu kích thước xilanh tiêu chuẩn

- Có thể lựa chọn nhiều phương án truyền động khác nhau

- Tính kinh tế tương đối cao

- Tương đối đơn giản trong việc tự động hóa điều khiển

Người ta phân nhóm cho động cơ diesel tàu thủy theo tốc độ trung bình của piston và số vòng quay (n) của trục khuỷu như sau:

- Các động cơ diesel cao tốc: n > 1000 v/ph, Cm > 10 m/s

Trên các tàu cỡ vừa và cỡ nhỏ, người ta sử dụng các động cơ diesel 4 kỳ tăng

áp và không tăng áp, loại trung tốc đảo chiều và không đảo chiều (375 ÷ 750) v/ph

và loại có số vòng quay cao, không đảo chiều (750 ÷ 3.000) v/ph làm động cơ chính Công suất nhỏ nhất của động cơ chính là 4 kW và công suất cực đại của tổ hợp động cơ chính đạt đến 2200 kW

Ngược lại, các động cơ diesel thủy thấp tốc (100 ÷ 170) v/ph loại 2 kỳ tác dụng đơn có con trượt được dùng phổ biến trên các tàu giao thông cỡ lớn Chúng chiếm 75% công suất thiết bị năng lượng mới Sở dĩ các động cơ này dùng phổ biến trên các tàu giao thông là vì chúng có các ưu điểm sau:

- Tính kinh tế nhiệt cao và có khả năng làm việc với nhiên liệu nặng

- Có khả năng truyền công suất trực tiếp đến chân vịt

- Tuổi thọ cao

Bên cạnh những ưu điểm của động cơ diesel, có những nhược điểm sau:

- Nhược điểm cơ bản thuộc về bản chất của TBNL diesel là sử dụng cơ cấu tay quay – thanh truyền Do vậy, khi động cơ làm việc xuất hiện các lực và mômen không đều, gây ra rung động và truyền đến thân tàu Do đó làm xuất hiện các hiệu ứng cộng hưởng, rút ngắn thời gian phục vụ của thiết bị Việc thay đổi lực tiếp tuyến trên các khuỷu trục và tốc độc góc của nó tạo ra mômen xoắn không đều và

do đó tạo khả năng dao động xoắn trên hệ trục

- TBNL diesel có hệ thống bôi trơn, hệ thống làm mát, hệ thống khởi động và đảo chiều tương đối phức tạp

1.3.2 TBNL tuabin khí tàu thủy

- TBNL tuabin khí tàu thủy là một loại động cơ nhiệt, trong đó nhiệt năng biến thành cơ năng nhờ những bộ phận quay có cánh

Hình 1.1 Sơ đồ đơn giản của một TBNL tuabin khí tàu

1- Cửa nạp 2- Máy nén khí 3- Buồng đốt 4- Vòi phun

5- Tua bin 6- Cửa thải 7- Bích nối với động cơ khởi

động 8- Bích nối với máy công tác (chân vịt)

a- Nhiên liệu b- Không khí c- Khí thải

- TBNL tuabin khí tàu thủy được chia thành các thiết bị chu trình hở và các thiết bị chu trình kín:

+ TBNL tuabin khí tàu thủy chu trình hở: Môi chất công tác lúc đầu là không khí và sau đó là hỗn hợp không khí cháy với sản phẩm cháy của nhiên liệu, đi qua các khe bên trong các phần tử thiết bị, trao đổi năng lượng trong đó rồi được thải ra ngoài khí quyển

+ TBNL tuabin khí tàu thủy chu trình kín: Chỉ có một môi chất công tác Chúng hoạt động theo chu trình kín, cách ly với khí quyển Khi sử dụng TBNL tuabin khí chu trình kín áp suất môi chất công tác cao thì có thể nhận được công suất thiết bị lớn, trong khi kích thước và khối lượng nhỏ Đặc biệt nhờ sự cách ly môi chất bên ngoài nên TBNL tuabin khí chu trình kín không gây ô nhiễm môi trường xung quanh

Những ưu điểm và nhược điểm của TBNL tuabin khí tàu thủy so với các kiểu TBNL khác:

Ưu điểm:

- Công suất tổ hợp thiết bị lớn, trong khi khối lượng và kích thước nhỏ, diện tích chiếm chỗ và thể tích buồng máy nhỏ

- Độ tin cậy cao, nhờ nguyên tắc tác động quay và sự đơn giản của sơ đồ động

- Đơn giản trong việc bảo dưỡng, có khả năng khởi động nhanh và tính tăng tốc cao

- Có khả năng nghiên cứu hoàn thiện chu trình nhiệt và kết cấu nhằm nâng cao hiệu suất và giảm chi phí nhiên liệu

- Thích nghi tốt với việc tự động hoá và điều khiển từ xa do đơn giản được việc khởi động và điều khiển

Nhược điểm:

- Tính kinh tế tương đối thấp vì nhiệt độ ban đầu của khí cháy bị giới hạn

- Sự phụ thuộc của độ tin cậy và tính kinh tế của thiết bị tuabin khí chu trình hở vào sự ăn mòn của môi trường ngoài

- Yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng nhiên liệu sử dụng trong thiết bị tuabin khí chu trình hở và chi phí cho nó lớn

- Khó đảo chiều của các thiết bị cỡ lớn

- Kích thước ống không khí và khí cháy lớn nên gây phức tạp cho việc lắp thiết

bị tuabin khí trên tàu

Thiết bị năng lượng tuabin khí được chế tạo và ứng dụng trên tàu từ những năm đầu của thế kỷ trước và là một loại TBNL tàu thủy có công suất và tốc độ lớn Nhưng do tính ưu việt của TBNL động cơ diesel nên TBNL tuabin khí tàu thủy ít được sử dụng phổ biến Song, do nhu cầu vận tải lớn lượng hàng hoá trong tương lai, TBNL tuabin khí sẽ là sự lựa chọn đầu tiên thay thế cho động cơ diesel

1.3.3 TBNL tuabin hơi tàu thủy

Trong TBNL tuabin hơi thì môi chất công tác được tuần hoàn không ngừng theo vòng kín, trong đó diễn ra sự thay đổi trạng thái của môi chất công tác (nước – hơi nước – nước)

Thiết bị năng lượng tuabin hơi đơn giản có sơ đồ hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý TBNL tuabin hơi tàu thủy

1 Chân vị 2 Hộp số 3 Tuabin hơi

4 Nồi hơi 5 Bơm cấp

6 Thiết bị ngưng tụ 7.Mạch nước làm nguội

Trong thiết bị này, nhiệt năng tỏa ra nhờ đốt cháy nhiên liệu được cung cấp cho nồi hơi (4) Nước trong nồi hơi nhận nhiệt này biến thành hơi bão hòa, rồi thành hơi quá nhiệt, hơi quá nhiệt được đưa đến tuabin (3) qua hệ thống miệng phun Tại miệng phun nơi tiến hành giãn nở, biến một phần thế năng thành động năng rồi được đưa vào dãy cánh công tác của tuabin để biến động năng thành cơ năng, làm quay trục tuabin Công suất do tuabin sản ra được truyền qua hộp số (2), đến chân vịt (1) Hơi nước sau khi ra khỏi tuabin (3) được đưa đến thiết bị ngưng tụ (6) để biến thành nước, rồi được bơm cấp (5) cấp trở lại nồi hơi (4), hoàn thành chu trình công tác

TBNL tuabin hơi được sử dụng trên các tàu hơi nước cỡ lớn của hạm tàu biển

Nó cho phép tạo ra công suất chung trên trục chân vịt của tàu đến 220.103 kW và lớn hơn nữa

1.3.4 TBNL nguyên tử tàu thủy

TBNL nguyên tử tàu thủy có lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị sinh nhiệt

Sơ đồ nguyên lý TBNL nguyên tử được thể hiện trên hình 1.3

Nhiên liệu được sử dụng trong TBNL nguyên tử tàu thủy là Uranium U235 Bản chất phản ứng dây chuyền là hạt nhân U235 khi phân rã tạo thành 2 ÷ 3 nơtron nhanh thứ cấp mới, chúng có một năng lượng đến 2 MeV và tốc độ 20000 Km/s Trong các điều kiện xác định, các nơtron thứ cấp này tạo nên phản ứng phân rã các hạt nhân U235 khác Khi các phản ứng hạt nhân xảy ra thì sinh ra lượng nhiệt khổng

lồ, lượng nhiệt này sử dụng để biến nhiệt năng thành cơ năng phục vụ cho việc đẩy tàu và các nhu cầu khác TBNL nguyên tử là một loại thiết bị nhiệt với yêu cầu kỹ thuật cao và đòi hỏi độ an toàn tuyệt đối cao đối với người sử dụng Chính vì thế loại hình thiết bị nay chỉ có một số quốc gia có công nghệ kỹ thuật cao mới sản xuất được như: Mỹ, Đức, Nga, Trung quốc, Anh….Trong Tương lai, do nhu cầu về năng lượng thì TBNL nguyên tử sẽ là một loại thiết bị năng lượng được chú trọng phát triển

CHƯƠNG 2:

ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ NĂNG

2.1 Khái niệm, thành phần và phân loại TBNL tuabin khí tàu thủy

2.1.1 Khái niệm TBNL tuabin khí tàu thủy

TBNL tuabin khí tàu thủy là loại TBNL sử dụng thiết bị tuabin khí làm máy chính cho tàu, ngoài ra còn có một số máy móc, thiết bị phụ, đường ống…nhằm phục vụ cho hoạt động của con tàu

Thiết bị tuabin khí tàu thủy là một loại động cơ nhiệt, trong đó nhiệt năng biến thành cơ năng nhờ những bộ phận quay có cánh Cơ năng này được truyền đến các

hộ tiêu thụ (chân vịt, chiếu sáng, nâng chuyển…)

Quá trình chuyển đổi năng lượng trong TBNL tuabin khí tàu thủy có thể thực hiện bằng những chu trình khác nhau, trong đó có 2 loại chu trình cơ bản thực sự có

ý nghĩa là:

- Chu trình cấp nhiệt đẳng áp (cháy đẳng áp) – chu trình Bragtôn

- Chu trình cấp nhiệt đẳng tích (cháy đẳng tích) – chu trình Hunphrêy

2.1.2 Thành phần TBNL tuabin khí tàu thủy

Cũng giống như các loại TBNL khác trên tàu thủy, TBNL tuabin khí tàu thủy bao gồm:

- Thiết bị năng lượng chính:

+ Thiết bị tuabin khí

+ Máy móc, thiết bị phụ: Máy khởi động, ắc quy đánh lửa…

+ Các hệ thống phục vụ: Hệ thống nhiên liệu, hệ thống bôi trơn… + Hệ trục và bộ truyền

- Thiết bị năng lượng phụ bao gồm các máy móc biến đổi và sử dụng năng lượng của thiết bị tuabin khí sinh ra TBNL phụ bao gồm: Máy phát tuabin khí, trạm ắcqui… và các hệ thống phục vụ cho các thiết bị năng lượng phụ ( hệ thống nhiên liệu của máy phát tuabin…)

- Các máy móc và thiết bị của hệ thống chung toàn tàu như: Hệ thống cấp nước sinh hoạt, hệ thống sưởi ấm , hút khô, dằn và cân bằng tàu, cứu hỏa….)

- Các hệ thống điều khiển, kiểm tra và bảo vệ tự động từ xa của thiết bị tuabin khí và các TBNL phụ, các máy móc và thiết bị của hệ thống chung toàn tàu

Trong TBNL tuabin khí tàu thủy thì thiết bị tuabin khí là bộ phận cốt lõi, mang tính chất đặc trưng riêng cho loại TBNL tuabin khí tàu thủy Chính vì thế, trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu về TBNL tuabin khí tàu thủy, phần lớn tập trung tìm hiểu

và nghiên cứu thiết bị tuabin khí

2.1.3 Phân loại TBNL tuabin khí tàu thủy

Thiết bị tuabin khí tàu thủy là bộ phận cốt lõi trong TBNL tuabin khí tàu thủy, chính vì thế, tùy theo mục đích sử dụng và yêu cầu khác nhau của mỗi con tàu mà thay đổi cấu trúc của thiết bị tuabin khí tàu thủy cho phù hợp Việc phân loại TBNL tuabin khí tàu thủy cũng có thể được hiểu rằng đó là việc phân loại thiết bị tuabin khí tàu thủy

Những yêu cầu đặt ra cho thiết bị tuabin khí tàu thủy đã được các nhà chế tạo thiết bị tuabin khí giải quyết bằng cách bố trí về cấu trúc khác nhau, nhờ đó có thể xếp thiết bị tuabin khí tàu thủy theo một số nhóm

Trong các nhóm này các thiết bị tuabin khí tàu thủy, ở mức độ nhất định có những tính chất hay những dấu hiệu cấu trúc chung Ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc của thiết bị tuabin khí tàu thủy là loại chu trình, lĩnh vực sử dụng thiết bị này, chi phí cho sự thay đổi phụ tải, loại nhiên liệu, tuổi thọ, quy mô sản xuất của một loại nhất định, kinh phí và khả năng sản xuất của cơ sở chế tạo… Trong thực tế người

ta có thể phân thiết bị tuabin khí tàu thủy thành các loại sau:

- Dựa theo chu trình công tác:

Thiết bị tuabin khí tàu thủy chu trình kín

Thiết bị tuabin khí tàu thủy chu trình hở

Thiết bị tuabin khí tàu thủy chu trình có hoàn nhiệt

Thiết bị tuabin khí tàu thủy chu trình không hoàn nhiệt

- Dựa theo quá trình cháy:

Thiết bị tuabin khí tàu thủy cháy đẳng áp Thiết bị tuabin khí tàu thủy cháy đẳng tích Thiết bị tuabin khí tàu thủy cháy hỗn hợp

- Dựa theo quá trình giãn nở:

Thiết bị tuabin tàu thủy khí xung lực

Thiết bị tuabin tàu thủy khí phản lực

- Dựa theo số cấp giãn nở:

Thiết bị tuabin tàu thủy khí một cấp

Thiết bị tuabin khí tàu thủy nhiều cấp

- Dựa theo hướng dòng:

Thiết bị tuabin khí tàu thủy dọc trục

Thiết bị tuabin khí tàu thủy hướng kính

- Dựa theo hình dạng của rôto tuabin khí có thể chia thành:

Thiết bị tuabin khí tàu thủy rôto có đĩa

Thiết bị tuabin khí tàu thủy rôto tang trống

- Dựa theo công dụng có thể phân ra:

Thiết bị tuabin khí tàu thủy tàu thuỷ

Thiết bị tuabin khí tàu thủy máy bay

Thiết bị tuabin khí tàu thủy máy phát điện

Sự phân loại thiết bị tuabin khí tàu thủy quyết định bởi những phần tử cấu trúc được sử dụng và cách bố trí các phần tử cơ bản của thiết bị tuabin khí Trong đó có phản ánh những kinh nghiệm và khả năng của các hãng chế tạo

2.2 Lịch sử phát triển thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy

Lịch sử phát triển của thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy gắn liền với sự hình thành và phát triển của thiết bị tuabin khí Lịch sử phát triển của thiết bị tuabin khí ở những thời kỳ đầu có liên quan đến việc tìm kiếm chu trình thích hợp và trong phạm vi giới hạn của vật liệu chế tạo cũng như mức phát triển thấp của khí động học Từ cuối thế kỷ XVIII, hàng loạt các đề án thiết kế về thiết bị tuabin khí được ra đời Nhưng do trình độ kỹ thuật lúc này còn thấp, nên các đồ án không thực hiện thành công

Vào năm 1872, kỹ sư người Đức tên là Stol đã nhận được bằng phát minh về thiết bị tuabin khí và thiết kế thiết bị tuabin khí Đến đầu thế kỷ sau (1900 – 1904)

đồ án của ông được đưa vào chế tạo và chạy thử thiết bị tuabin khí này có đầy đủ tất

cả các thành phần cấu tạo của một thiết bị tuabin khí hiện đại như ngày nay

Năm 1902, Moss đã chế tạo thiết bị tuabin khí dùng để quay quạt nạp không khí cho động cơ đốt trong kiểu piston

Năm 1905, Armangen và Laval đưa vào vận hành thiết bị tuabin khí với công suất 500 KW có nhiệt độ vào 560oC làm việc theo chu trình đẳng áp

Năm 1909, Holzwarth cho vận hành thiết bị tuabin khí với công suất 150 KW với chu trình đốt đẳng tích

Những thiết bị tuabin đốt đẳng áp đầu tiên có hiệu suất khoảng 3%, do hiệu suất thấp của quá trình nén và nhiệt độ thấp của sản phẩm cháy trước tuabin Những thiết bị tuabin khí với quá trình cháy đẳng tích lúc đầu có hiệu suất tốt hơn nhưng hiệu suất không vượt 14% với điều kiện vận hành khó hơn

Sự hoàn thiện thiết bị tuabin khí về mặt vật liệu chế tạo cũng như mẫu thiết kế thích hợp càng rõ ràng sau nhiều năm vận hành và những lần thử có ý nghĩa

Năm 1930, nhà phát minh nổi tiếng Whittle đã thiết kế một thiết bị tuabin khí cho động cơ máy bay Ưu điểm nổi bật của thiết bị này khi dùng cho máy bay so với các động cơ đốt trong kiểu piston là hiệu suất nhiệt cao hơn Năm 1937, dưới sự chỉ đạo của nhà phát minh, đã thành công đưa vào sử dụng động cơ máy bay kiểu tuabin đầu tiên

Năm 1938, hãng BBC đưa vào vận hành thiết bị tuabin khí chạy máy phát điện với công suất 40000 kW trong nhà máy điện ngầm dự trữ của Thụy Sĩ

Tốc độ phát triển của thiết bị tuabin khí đặc biệt tăng nhanh trong chiến tranh thế giới thứ hai, các nước tham chiến đều tìm kiếm những phương tiện đặc biệt mạnh và các loại động cơ có sức kéo trội hơn để dùng cho các tàu chiến, máy bay chiến đấu với tốc độ cao Điều này thúc đẩy tốc độ phát triển thiết bị tuabin khí

Sự phát triển của thiết bị tuabin khí sau chiến tranh càng sâu và mạnh hơn Trong lĩnh vực quốc phòng, thiết bị tuabin khí được sử dụng chủ yếu trong các tàu

chiến, các hạm tàu và đã loại động cơ piston ra khỏi các tàu chiến và máy bay chiến đấu Đồng thời, thiết bị tuabin khí ứng dụng rộng ra lĩnh vực dân sự như: máy phát điện…

Sự phát triển về khí động học, phần truyền dòng khí của máy nén và của tuabin khí, của thiết bị đốt và vật liệu chế tạo Tất cả những vấn đề trên đã thúc đẩy

và tập hợp nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác như lĩnh vực của các tàu có công suất lớn, máy quay có cánh quạt trong công nghiệp, giao thông vận tải… ngày càng phát triển và xích lại gần nhau hơn

Ngày nay, thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy được sử dụng rộng rãi Nó đang thay thế dần thiết bị năng lượng diesel tàu thủy trên các tàu công suất lớn, trọng tải lớn và đặc biệt trong các tàu phục vụ cho quốc phòng

2.3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị tuabin khí tàu thủy

2.3.1 Sơ đồ cấu tạo

Thiết bị tuabin khí tàu thủy là một loại thiết bị nhiệt có kỹ thuật cao, bao gồm nhiều chi tiết và hệ thống phức tạp, đòi hỏi công nghệ chế tạo tiên tiến Hơn nữa, tùy theo yêu cầu sử dụng của thiết bị năng lượng tua bin khí mà có cấu tạo khác nhau Chính vì thế, xin đưa ra một sơ đồ đơn giản của thiết bị tuabin khí tàu thủy

Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo thiết bị tuabin khí tàu thủy

2.3.2 Nguyên lý làm việc thiết bị tuabin khí tàu thủy

Không khí từ ngoài môi trường được hút qua cửa nạp (1), vào máy nén khí (MNK) (2) Ở đó không khí được nén đến một áp suất nhất định rồi được đưa vào buồng đốt (BĐ) (3) Trong khi đó nhiên liệu được đưa đến vòi phun (4) và phun vào

BĐ Trong BĐ, nhiên liệu hòa trộn với không khí và cháy nhờ nhiệt độ cao của

ngọn lửa đang cháy (lúc khởi động, cần có một nguồn nhiệt mồi)

Tại thời điểm khởi động, sau khi nhiên liệu và không khí đã được hoà trộn trong BĐ, buji sẽ đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp này Sau đó hỗn hợp nhiên liệu + không khí tự duy trì sự cháy sau khi buji ngừng đánh lửa Sản phẩm cháy có nhiệt

Hình 2.2 Sơ đồ đơn giản của một TBNL tuabin khí

1- Cửa nạp 2- Máy nén khí 3- Buồng đốt 4- Vòi phun

5- Tua bin 6- Cửa thải 7- Bích nối với tải (chân vịt)

8- Bích nối với máy công tác (chân vịt)

độ phù hợp đi tiếp vào tuabin (TB) (5) Trước tiên khí công tác đi qua thiết bị phun(TBP) của TB (để tăng tốc và thay đổi hướng cho phù hợp với góc đặt cánh công tác) rồi đi vào bánh công tác (BCT) của TB Khi đi qua rãnh cánh công tác của TB, động năng của khí công tác biến thành công cơ khí để quay BCT sau đó thoát ra ngoài qua cửa (6)

Như vậy, khi thiết bị tuabin khí tàu thủy làm việc thì hóa năng của nhiên liệu

đã biến thành nhiệt năng, nhiệt năng đó biến thành thế năng áp suất, thế năng đó lại biến thành động năng và cuối cùng động năng biến thành công cơ khí để quay BCT

và cấp công suất cho các hộ tiêu thụ qua trục của tuabin

2.4 Các chu trình làm việc điển hình của thiết bị tuabin khí tàu thủy 2.4.1 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp

2.4.1.1 Sơ đồ cấu tạo thiết bị tuabin khí tàu thủy đơn giản một trục không

Hình 2.4 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp

1-2: Là quá trình nén đẳng Entrôpi 2-3: Là quá trình cấp

3

2

1

Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo thiết

bị tuabin khí tàu thủy không

2.4.1.2.Công lý thuyết của chu trình (công riêng)

(

)1()

(

3

4 3 4

3 4

3

1

2 1 1

2 1

2

T

T T C T T C i i l

T

T T C T T C i i l

p p

lt tb

p p

lt mn

T T C

T : Nhiệt độ tuyệt đối của chất khí ở đầu và cuối trước mỗi quá trình (0k)

C p: Nhiệt dung riêng đẳng áp của chất khí (KJ/Kg.0k)

Nếu theo quá trình đoạn nhiệt:

k k k

k

p

p T

T và p

p T T

1

1 2 3 4 1

1 2 1 2

2.4.1.3 Hiệu suất nhiệt của chu trình.

ηt : Hiệu suất nhiệt của chu trình

Ta có:

1 2 1

2

1 1

q

q q

q q

Trong đó: q1 : Là nhiệt lượng cấp vào

q2 : Là nhiệt lượng thải ra của môi chất công tác

p T C T

T T

) 1 ( ) 1 (

1

1

m k p

m k m k p

t

T C

T C

)1()1

(

m k

m k m k

)1)(

/1(1

k t

Từ biểu thức (1) ta thấy khi tăng tỷ số tăng áp suất của khí nén trong máy

nén, làm cho hiệu suất nhiệt của chu trình lý thuyết tăng

Khi p2 = p1 (k = 1) thì : t = 0

Còn khi k   thì t  1 (chỉ có ý nghĩa lý thuyết) Điều này có nghĩa là t

đạt giá trị max khi k đạt tới một giá trị tới hạn

Giá trị tới hạn của k ứng với chế độ mà máy nén nén không khí đạt đến

nhiệt độ khí cháy trong tuabin (T2 = T3) Khi đó tmax = 1 – 1/ tức là chu trình

giống chu trình các nô Hiệu suất nhiệt phụ thuộc gián tiếp vào chỉ số 

2.4.1.4 Nhận xét

Từ các các công thức trên ta nhận thấy: Biện pháp nâng cao hiệu suất của

thiết bị tuabin khí tàu thủy là nâng cao nhiệt độ T2 truớc tuabin, T2 càng cao bao

nhiêu thì hiệu suất t càng tăng bấy nhiêu Điều này đúng cho sơ đồ bất kỳ của thiết

bị tuabin khí tàu thủy và các loại tuabin khí vì T2 là nhiệt độ lớn nhất của chu trình

vì vậy sự nâng của nó sẽ luôn dẫn đến tăng hiệu suất nhiệt Nhưng giá trị nhiệt độ trước buồng đốt T2 hiện cho phép hiện nay theo điều kiện làm việc tin cậy và tuổi thọ của thiết bị tuabin khí đặt cố định công suất lớn nhất thì T2 = 1000 ÷ 1400 0K

Sự tăng tiếp nhiệt độ này sẽ bị giới hạn chủ yếu bởi độ bền và độ cứng chịu lửa của vật liệu chế tạo cánh và rôto của tuabin khí Đối với các thiết bị tuabin khí tàu thủy thường sử dụng nhiên liệu dầu nặng (dầu ma dút), có chứa nhiều tạp chất, muốn hạn chế quá trình rỉ ở nhiệt độ cao cần giảm nhiệt độ trước tuabin T2 xuống 920 0K Điều này tất nhiên là làm giảm hiệu suất của thiết bị

2.4.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp có hoàn nhiệt

Một phương tiện nổi bật để nâng cao hiệu suất là bộ trao đổi nhiệt, trong đó một phần nhiệt của khí thải được truyền cho không khí nén trước khi vào buồng đốt Nhờ vậy, nhiệt lượng cần cấp cho chu trình giảm xuống, ηt tăng lên Sơ đồ được vẽ trên hình 2.6

Chu trình cấp nhiệt đẳng áp có hoàn nhiệt là một chu trình được sử dụng nhiều trên thiết bị tuabin khí tàu thủy Sơ đồ chu trình đựợc vẽ trên hình 2.7

4

3

1

2

Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo thiết bị tuabin khí tàu

thủy có hoàn nhiệt

1- Máy nén khí 2- Tuabin

3- Thiết bị hoàn nhiệt 4- Buồng đốt

Theo sơ đồ này thì không khí sau máy nén (1) đi qua thiết bị hoàn nhiệt (3) Tại đây không khí nén nhận được một phần nhiệt lượng qN của chất thải từ tuabin Không khí được sấy nóng đi vào buồng đốt (4), rồi sinh công trong tuabin (2)

qN = (T2’ – T2): Phần nhiệt tận dụng được của khí thải để sấy nóng không khí

qmax = Cp ( T4 - T2’): Là phần nhiệt lớn nhất mà khí thải ra khỏi tuabin có thể tận dụng được để sấy nóng không khí

2 ' 2

T T

T T

k k k

k k

k k k k

k k

2 1

1

1 2 1

 là tỷ số giữa nhiệt độ cao nhất và nhiệt độ thấp nhất của chu trình.

Nhận xét : Đối với thiết bị tuabin khí tàu thủy thường sử dụng bộ phận hoàn nhiệt để tăng công suất cho thiết bị Nhưng khi trang bị bộ phận này quan tâm : Đối với những thiết bị tuabin khí tàu thủy có bộ hoàn nhiệt có R < 0,5 ảnh hưởng của hoàn nhiệt đến hiệu suất của thiết bị tuabin khí ít hiệu quả Giá trị R thực tế được xác định bởi bề mặt đốt nóng của bộ trao đổi nhiệt Ở phần lớn thiết bị tuabin khí tàu thủy hiện đại có bộ trao đổi nhiệt thường RT = 0,6 ÷ 0,8 Trong đó hiệu quả kinh

tế trong chi phí nhiên liệu có kể tới hồi nhiệt là 22 ÷ 28 % Khi RT > 0,8 bệ đốt của

bộ trao đổi nhiệt có kích thước và khối lượng rất lớn Vì vậy sự lựa chọn giá trị RT

thích hợp nhất là tùy thuộc vào sơ đồ và yêu cầu sử dụng của thiết bị tuabin khí tàu thủy dựa trên những tính toán kinh tế kỹ thuật Mặt khác, khi có thiết bị hoàn nhiệt trong chu trình sẽ làm tăng trở thủy lực trong đường ống không khí và chất khí và điều này làm giảm hiệu suất thiết bị tuabin khí tàu thủy Khi trở lực quá lớn hiệu quả tốt của sự sử dụng hoàn nhiệt không còn Sự hoàn nhiệt cho phép nâng cao hiệu quả kinh tế của thiết bị tuabin khí không chỉ ở chế độ định mức mà còn ở chế độ non tải vì lúc đó hiệu suất của thiết bị có dùng nhiệt giảm chậm hơn ở thiết bị không dùng hoàn nhiệt Hơn nữa, chu trình có hoàn nhiệt không phù hợp khi phải khởi động nhanh và thường xuyên thay đổi phụ tải

2.4.3 Chu trình thực của thiết bị tuabin khí tàu thủy

Trong thực tế, ở các thiết bị tuabin khí tàu thủy trình nhiệt động học rất phức tạp Ở đây chỉ xin đưa ra chu trình nhiệt động đơn giản (một tuabin, một máy nén)

2.4.3.1 Chu trình của thiết bị tuabin khí tàu thủy đơn giản, có tính đến tổn thất trong tuabin và máy nén

2.4.3.1.1 Đồ thị của chu trình

Như vậy, trong chu trình thiết bị tuabin khí tàu thủy đơn giản các điểm (2) và (6) trong chu trình thực sẽ dịch chuyển về phía tăng entrôpi Điều này dẫn đến tăng công cho việc nén khí ở máy nén và giảm công giãn nở ở tuabin

2.4.3.1.2 Hiệu suất nhiệt của chu trình: (chưa kể đến tổn thất năng lượng)

l mn lt    p  [KJ/Kg] (2-1b)

) ( 4 2 '

) (

) (

'

' '

2 4

1 2 6

4

T T C

T T C T T C

p

p p

Hình 2.8 Chu trình thực của thiết bị tuabin khí tàu

thủy đơn giản

1-2 ’ và 1-2: Là quá trình nén không khí lý thuyết và thực

tế trong MN

k k k

k k

p

p T

T

1 1

4 6 4

p

p T

1

6 4 1

4 : Là độ tăng áp suất trong máy nén (tỷ số tăng áp suất)

)1)(

/1(1

k t

2.4.3.1.3 Tính hiệu suất nhiệt của chu trình thực tế

1

2'

T T

T T l

l

mn

lt mn mn

6 4

T T

T T l

l lt tb

tb tb

lt mn tb lt tb mn tb

i

T T C T

T C l

l l l

' ')

tb p

i

T

T T C T

T T C

l



)1(

1

2 1 4

6 4

' '

Trong đó: li: Là công có ích của chu trình (tình cho 1kg môi chất công tác)

q1p:Là nhiệt lượng thực tế cần thiết trong buồng đốt để đốt nóng 1

Kg không khí từ nhiệt độ (T2 = T3) đến nhiệt độ T4 (q1p do đốt cháy nhiên liệu mà có)

bd p

q



1)( 4 2

Từ (2-10) và (2-11) ta có:

bd

m k p

mn

m k p tb m k p

i

T C

T C T

1 ) 1 ( )

1 (

4

1 4

bd

m k

mn

m k tb m k i

1 ) 1 ( ) 1 (

(2-13b)

Qua biểu thức (2-13b) ta nhận thấy hiệu suất trong của chu trình tuabin khí là một hàm của tỷ số tăng áp suất của máy nén, độ tăng nhiệt độ của chu trình, hiệu suất máy nén, hiệu suất tuabin, và hiệu suất buồng đốt

Tức là :   i f( k,, mn, tb, bd)

Hiện nay giá trị của hiệu suất trong nằm trong khoảng:

9,083

2.4.3.2 Chu trình đơn giản có hoàn nhiệt của thiết bị tuabin khí

Để đánh giá mức độ hoàn nhiệt, người ta đưa ra hệ số hoàn nhiệt (RT) hay còn gọi là độ hoàn nhiệt

đó độ hoàn nhiệt có thể tính theo nhiệt độ là:

2 6

2 3

T T

T T





 (2-14b) Nếu bỏ qua những tổn thất của môi chất trong bộ trao đổi nhiệt, công hữu ích của thiết bị được tính theo biểu thức tính (li) của chu trình không hoàn nhiệt ở trên

Do dùng bộ trao đổi nhiệt, một lượng nhiệt thực tế cần thiết khi đốt cháy nhiên liệu

ở buồng đốt là qh p sẽ nhỏ đi một đại lượng qh so với chu trình không hoàn nhiệt,

khi đó ta có: q h1p q1p q h (2-15)

)(

)(

2 3 2

p bd

p p h

T T C T T C T T C q







)(

)(

T

T T C q



)1(

4

3 4 1



 (2-16) Hiệu suất trong của thiết bị tuabin khí có hoàn nhiệt sẽ là:

Hình 2.9 Sơ đồ và chu trình thiết bị tuabin khí tàu thủy

đơn giản có hoàn nhiệt

1- Máy nén 2- Bộ hoàn nhiệt 3- Buồng đốt 4- Tuabin 5-

m k mn

m k tb

p h

i hi

T

T q

1)1(

2.5 Các biện nâng cao đồng thời hiệu suất và công suất

1 Các nô hoá chu trình thiết bị tuabin khí bằng các biện pháp sau:

- Sử dụng bộ trao đổi nhiệt (chỉ để nâng cao hiệu suất) Bằng cách giảm nhiệt độ

ban đầu của quá trình nén

- Nâng cao nhiệt độ ban đầu của quá trình giãn nở

- Làm mát để giảm mức nhiệt độ dưới

- Sử dụng đốt nhiên liệu nhiều lần (nâng cao mức nhiệt độ trên) và bằng những

chu trình dùng nhiều môi chất làm việc để nâng cao nhiệt hữu ích

2 Lựa chọn đúng độ nén theo loại chu trình (độ tăng áp suất của máy nén)

3 Nâng cao độ hoàn thiện các đặc tính khí động của máy quay có cánh và

đơn giản những trở lực các đường ống vào, ống dẫn truyền và ống thoát, các buồng

đốt và các bộ trao đổi nhiệt

Kết hợp các khả năng trên theo các điều kiện cục bộ, và những khả năng của

sản xuất, nhiên liệu và tuổi thọ của tuabin khí

2.6 Các sơ đồ cấu trúc thiết bị tuabin khí trên tàu thủy

2 6.1 Sơ đồ thiết bị tuabin khí tàu thủy hai trục có một máy nén

Hình 2.10 Sơ đồ thiết bị tuabin khí tàu thủy có 2 trục, 1

máy nén

1 2 3 4 5

2.6.2 Sơ đồ thiết bị tuabin khí có ba trục, hai máy nén

Ưu điểm: Cấu tạo khá đơn giản Khi mô men cản thay đổi, sự thay đổi tốc độ của tuabin chân vịt không ảnh hưởng tới tốc độ của máy nén khí Máy nén có khả năng hoạt động ổn định Thích ứng cho những động cơ cần công suất lớn

2.6.3 Sơ đồ thiết bị tuabin khí 1 trục lai máy phát điện trên tàu thủy.

Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ Phù hợp với những động cơ có công suất nhỏ

Nhược điểm: Tốc độ máy nén phụ thuộc vào sự thay đổi của mô men cản Cần phải có thiết bị đảm bảo ổn định tốc độ

2.6.4 Sơ đồ thiết bị tuabin khí 2 trục lai máy phát điện trên tàu thủy

Ưu điểm: Cấu tạo khá đơn giản Phù hợp với những động cơ có công suất lớn Nhược điểm: Tốc độ máy nén phụ thuộc vào sự thay đổi của mô men cản Cần phải có thiết bị đảm bảo ổn định tốc độ

Qua một số sơ đồ vừa giới thiệu ở trên, tuỳ thuộc vào yêu cầu và mục đích sử dụng, người ta sẽ thiết kế chế tạo theo phương án nào sao cho thiết bị nhỏ, gọn, có hiệu quả kinh tế cao, tuổi thọ lớn Tuy nhiên trong thực tế, không thể đáp ứng được tất cả các chỉ tiêu, trong các trường hợp cụ thể mà có chỉ tiêu này được chú trọng hơn chỉ tiêu kia Chẳng hạn: đối với thiết bị tua bin khí tàu quân sự thì ưu tiên chỉ

tiêu nhỏ, gọn, công suất lớn

Hình 2.13 Sơ đồ thiết bị tuabin khí 2 trục lai máy phát

điện

1- Máy phát điện 2- Máy nén cao áp 3- Bình làm mát khí

1 2 3 4 5

6 7

2.7 Nhiên liệu của thiết bị tuabin khí tàu thủy

Chất tải nhiệt của liên kết hoá học trong chất cháy là nhiên liệu Nhiều chu trình khác nhau của thiết bị tuabin khí có thể dùng những nhiên liệu khác nhau Chúng có thể phân chia thành các loại : Nhiên liệu khí, lỏng và rắn Tùy theo cách

sử dụng nhiên liệu cụ thể, mà có thể kết hợp những loại nhiên liệu khác nhau trong một chu trình làm việc Nhiên liệu thường sử dụng trong thiết bị tuabin khí tàu thủy

là loại nhiên liệu lỏng như dầu DO, dầu FO…Tùy theo loại nhiên liệu sử dụng mà thiết bị tuabin khí tàu thủy có đặc điểm và cấu tạo khác nhau Nhiên liệu trước khi cháy và trong quá trình cháy trải qua những giai đoạn khác nhau và có biến thiên chất lượng tốt hay không là tùy thuộc vào tính chất lý hoá của nhiên liệu

Tính chất của nhiên liệu ảnh hưởng đến một số vấn đề sau:

Vận chuyển nhiên liệu lỏng do độ nhớt quyết định, độ nhớt này phải nhỏ hơn

600E mới vận chuyển được bằng thủy lực Để có thể phun nhiên liệu lỏng thành bụi nhỏ, đều với đại bộ phận là các hạt cỡ 5µm và nhỏ hơn thì độ nhớt cần thiết khoảng

200E Để có được các tính chất này thì cần phải đốt nóng nhiên liệu lỏng khi vận chuyển tới khoảng 500C và để phun chất lỏng thành bụi cần đốt chất lỏng tới 1200C

Từ những tính chất hoá học của những nhiên liệu lỏng thì một tiêu chuẩn quan trọng

là thành phần tử xỉ và tỉ lệ vanadi (Va) và Na có trong nó Khi bốc cháy các ôxýt vanadi xuất hiện (V2O5) có nhiệt độ nóng chảy khoảng 6500C Những bộ phận này

bị xỉ chảy chứa vanadi bám có nguy cơ bị ăn mòn (bị rỉ vanadi) Ở nhiệt độ thấp hơn khi xỉ trong trạng thái đông đặc sẽ nguy hiểm khi xuất hiện các cáu bám: Nó tác dụng trực tiếp nhiều đến các bộ phận chuyền dòng làm thay đổi những tính chất khí động của dòng chảy, và ngoài ra đối với các bộ phận quay chúng còn là nguyên nhân gây mất cân bằng Xỉ dưới dạng rắn là nguyên nhân mài mòn phần chuyền chất khí Để giới hạn những hậu quả vận hành không tốt này thì hàm lượng xỉ ở nhiên liệu dù chỉ tới 0.05% phải hạn chế sự ăn mòn nguy hiểm của Vanadi (Va) và các loại cáu bám bằng cách nâng cao nhiệt độ chảy của xỉ ít nhất khoảng 1000C tới

2000C trên nhiệt độ quy ước của sản phẩm cháy

2.8 Những phần tử chính của thiết bị tuabin khí tàu thủy

Những phần tử chính của thiết bị tuabin khí tàu thủy là: Máy nén, buồng đốt, tuabin và bộ trao đổi nhiệt Cấu tạo chất lượng và cách sắp xếp của chúng trong một chu trình làm việc sẽ ảnh hưởng trược tiếp tới hoạt động của toàn thiết bị tua bin khí tàu thủy

2.8.1 Máy nén

Trong thiết bị tuabin khí tàu thủy, máy nén được dùng để nén môi chất làm việc thường là không khí và các nhiên liệu khí Để nén môi chất làm việc người ta dùng những máy nén thích hợp loại ly tâm và dọc trục

Dựa theo hướng chuyển động của dòng khí máy nén được chia ra hai nhóm :

- Máy nén ly tâm, dùng tác động của lực ly tâm để nén

- Máy nén hướng trục, chuyển động năng thành áp năng

Những đòi hỏi về kỹ thuật đối với máy nén dùng để nén không khí:

1 Hiệu suất cao (ηk) gây ảnh hưởng lớn đến tính chất của thiết tuabin khí

2 Độ nén từng cấp cao

3 Có thể sử dụng tốc độ vòng lớn

4 Độ sử dụng vật liệu và không gian cao

Hình 2.14 Những bộ phận chính của thiết bị tuabin khí

tàu thủy

5 Vận hành máy nén ổn định trong toàn thời gian làm việc của thiết bị tuabin khí

6 Tính dễ điều khiển về mặt khí động học và cơ học của các phần tử cấu thành ở mức độ cho phép

Máy nén không khí có những phần tử chính sau:

1 Ống hút: Đảm bảo huớng dòng khí từ một hướng nhất định (theo cách thiết kế) vào hướng dọc trục với tốc độ không đều vừa phải của trường tốc độ

2 Rôto: Dùng để chuyển cơ năng từ trục vào dòng không khí

3 Stator: Để chuyển đổi động năng của dòng không khí thành năng lượng

2.8.1.1 Máy nén ly tâm

Máy nén ly tâm sử dụng nguyên lý của lực ly tâm để nén, khi động năng của dòng không khí tăng lên nhờ chuyển động qua rôto Để đạt được độ nén riêng cao, ở đặc tính cho phép của máy nén người ta dùng những loại máy nén ly tâm với góc ra của cánh quạt rôto: 2=900C, ở đây với độ phản lực I=0,5 Kiểu cánh quạt ly tâm, tạo khả năng tốc độ vòng cao nhất, với thiết bị tuabin khí tàu thủy đạt tới 400 m/s và

độ nén của tầng là 4 tới 4,5 Hiệu suất cực đại của các máy nén loại này đạt tới 0,8 đến 0,82

Hình 2.16 Mặt cắt dọc của máy nén ly tâm

Sơ đồ của tầng máy nén ly tâm với quá trình làm việc của nó trên hình 2.16

Sự giảm áp suất tĩnh từ áp suất Po xuống P1 tại lối vào rôto làm tăng tốc độ của dòng trong đầu hút Trong dãy cánh của rôto xảy ra quá trình nén đến P12 và nén tiếp trong ống lọc tới P2

Ưu điểm của loại này là cấu trúc đơn giản tương đối nhẹ do độ nén của tầng cao có thể dùng số vòng quay cao

Nhược điểm là diện tích phía trước lớn, rôto gia công đắt và công suất giới hạn của máy nén nhỏ Rôto được sản xuất từ thỏi bằng thép hay hợp kim Mép vào của cánh quạt động cơ dạng uốn cong nên không gian rất lớn Mục đích của nó là hướng không khí từ mọi hướng, tại cửa vào rôto, thành hướng kính trong rôto

Đối với những máy lớn hơn thường dùng bánh động có đầu vào từ hai phía Những máy nhỏ hơn (như quạt nạp khí kiểu tuabin) có đĩa ghép cánh liền Dùng đĩa liền khối thì sản xuất sẽ phức tạp nhưng có thể nâng cao hiệu suất thêm 3 đến 5% và đảm bảo sẽ giảm được chấn động cho cánh tốt hơn Máy nén ly tâm được dùng trong thiết bị tuabin khí tàu thủy với công suất tới 300 ÷ 400 KW Xét ví dụ máy nén ly tâm một tầng hình 2.17

Hình 2.17 Máy nén ly tâm

1- Vỏ 2- Đường xoắn ốc 3- Kênh loe 4- Cánh động 5- Ống hút 6- Cánh quạt

Không khí vào bánh động (4) sau khi qua ống hút (5) Trên bánh động có các cánh động (6) đặt về một phía tạo nên trong bánh động những kênh rộng dần theo đường kính Ở loại máy nén này bánh động có hướng kính với độ phản lực bằng 0,5 (I=0,5) Nếu cánh động có cánh uốn về phía sau tại mép vào thì I >0,5 Không khí

ở đây được nén chủ yếu bằng bánh động Áp suất tạo thành ở những điều kiện khác

sẽ nhỏ hơn áp suất của máy nén có cánh hướng kính nhưng các kênh giữa các cánh lại có dạng phù hợp để đạt được hiệu suất sử dụng cao nhất Những máy nén như

vậy được dùng nhiều trong thiết bị tuabin khí cố định Nếu bánh động có cánh uốn cong về phía trước tại cửa vào thì I <0,5 Ở đây không khí đựơc nén sau bánh động

là chủ yếu, tức là trong ống loe hướng dòng ra Áp suất tạo thành sẽ lớn hơn ở máy nén có cánh hướng kính, nhưng tổn thất năng lượng lớn hơn và hiệu suất đặc biệt phụ thuộc vào dạng ống loe đặt sau Tất cả các loại cánh trên đều là dạng cánh chung của bánh động (4) Không khí chuyển động qua các kênh giữa cánh dưới tác dụng của lực ly tâm khi bánh qua nó được nén lại đồng thời được tăng tốc Trong kênh lọc (3) không khí bị nén tiếp nhờ chuyển động năng thành thế năng áp suất Ở kênh loe (3) người ta đặt các cánh hướng để hướng dòng không khí

Thực tế cũng thường dùng ống lọc không cánh Áp suất không khí cũng được tăng một phần nhờ giảm tốc độ tiếp trong phần xoắn ốc (2) của thân Phần này được đặt phù hợp với hướng dòng ra của không khí Không khí được nén qua ống ra (1)

và vào các phần tiếp theo

2.8.1.2 Máy nén dọc trục

Nguyên lý nén không khí trong tầng máy nén dọc trục được xây dựng dựa trên

sự chuyển đổi động năng thành áp suất hoặc trong các dãy cánh tĩnh (stator) hoặc trong dãy cánh động (rôto) hay trong cả hai dãy cánh của tầng, trong đó ở dãy cánh động, năng lượng toàn phần tăng lên nhờ cơ công được dẫn vào từ rôto Độ nén của mỗi tầng cánh nhỏ hơn so với độ nén các máy nén ly tâm, như vậy ở thiết bị tuabin khí tàu thủy cần dùng máy nén dọc trục loại nhiều tầng

Việc lựa chọn cách tạo cánh của máy nén dọc trục bị chi phối bởi nhiều tác nhân có ảnh hưởng tới hoạt động của toàn thiết bị tuabin khí tàu thủy, mà phổ biến rộng rãi nhất là loại tạo cánh với độ phân lực khoảng 50%, có góc quay của dòng tới

600 Hệ số lưu lượng của các tầng đầu tiên đạt tới 0,7 và trong các tầng cuối khoảng 0,4 Tầng vào đặc biệt được làm với các dãy cánh hướng, dẫn dòng vào, tầng ra đặc biệt được làm với các dãy cánh hướng, dẫn dòng ra Góc vào của dòng còn bị ảnh hưởng của yêu cầu về tuổi thọ và phương pháp vận hành Máy nén dùng cho tải ngọn và tuổi thọ ngắn hoàn toàn được chọn với góc vào khoảng 0,85 đến 0,9 góc

vào đối với giới hạn đứt dòng Đối với những máy dùng cho tải gốc việc lựa chọn cánh do hiệu suất quyết định như vậy góc vào phải ứng với tổn thất cực tiểu trong dãy cánh Tất cả các cánh của máy nén dọc trục thường hiệu chỉnh góc mép vào cánh theo quy luật xoáy tự do hay theo quy luật độ phản lực không đổi (dùng ở tầng đầu của máy lớn), hay theo quy luật hàm số mũ Những tốc độ vòng của các tầng đầu tại đỉnh cánh có thể đạt tới 280 m/s, hiệu suất của các tầng có thể đạt tới 0,92

Hình2.16 Máy nén dọc trục rôto dạng tang trống

Hình 2.18 Máy nén dọc trục có rôto dạng tang trống

1- Ổ đỡ trước 2- Chèn cổ trục phía trước 3- Thiết bị cánh hướng dòng 4- Cổ ống vào 5- Cánh động 6- Dãy cánh hướng 7- Cánh hướng dòng ra

8- Cổ ống ra 9- Ống dọc 10- Khớp trục

11-Trục tuabin khí ; 12-Rôto ; 13-Ổ trục sau ; 14- Thân máy nén

Trên hình 2.18 mô tả mặt cắt dọc của máy nén dọc trục Trong thân (14) đặt rôto (12) có gắn các dãy cánh động (5) Rôto gối trên hai trục trước (1) và sau (13) Hai đầu rôto có thiết kế bộ chèn (2) Rôto (12) của máy nén đựơc nối với trục tuabin bằng khớp trục (10) Thân (14) được đúc và có lắp các vòng đặc biệt mà trong các