Nghiên cứu Tua bin hơi

Tua bin là động cơ chính trong việc chuyển hoá năng lượng của hơi áp suất cao nhiệt độ cao

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BỘ MÔN NHIỆT – ĐIỆN LẠNH

Báo cáo : TUABIN HƠI

GVHD : Thầy LÊ MINH NHỰT

NHÓM : 5

• 5 Lê Đỗ Hữu Hòa 04113018

• 6 Nguyễn Văn Hoài 04113019

• 7 Võ Minh Huyền 04113021

• 8 Lê Văn Cảnh 04113004

• 9 Đinh Hoàng Việt 04113072

• 10 Võ Tấn Bình 04113002

7.1 Giới thiệu về tuabin hơi

Gồm các phần sau:

- Khái quát, quá trình hình thành

- Quá trình chuyển hóa năng lượng

- Các giai đoạn phát triển

- Các kiểu trích hơi

7.1 GIỚI THIỆU VỀ TUABIN HƠI

a - Tua bin là động cơ chính trong việc chuyển hoá năng lượng của hơi áp suất cao nhiệt độ

cao (được cung cấp bởi thiết bị sinh hơi trong nhà máy nhiệt điện)biến thành công trên trục và dòng hơi thải áp suất thấp được đưa vào bình

ngưng

- Nhà phát minh Hy Lạp (hero of alexandria)

đã xây dựng mẫu thử đầu tiên của tua bin hơi

nước đầu tiên vào năm 120 trước CN, nó hoạt

GIỚI THIỆU VỀ TUABIN HƠI(tt)

GIỚI THIỆU VỀ TUABIN HƠI(tt)

b Quá trình chuyển hóa năng lượng

c Các giai đoạn phát triển

* Vào năm 1878 một kỹ sư người Thụy Điển tên là Carl Gustan patrik de lavan (1845-1913)

đã phát triển tua bin xung lực dùng vào việc

tách kem từ sữa, nó có sử dụng ống siêu âm, chính điều này đã làm cho tuabin đạt được tốc

độ khá cao = 100.000 vòng /phút

Các giai đoạn phát triển(tt)

• Tại Pháp Auguste Rateau (1863-1953) đã làm

thí nghiệm với tua bin Laval vào năm 1894

Phát triển tua bin xung lực áp suất hỗn hợp vào năm 1900 và cũng vào năm này ông đã cho ra

đời tua bin xung lực đầu tiên với công suất

735 W

• Tại Mỹ Charles G Curtis (1850-1953) có bằng

sáng chế vào năm 1986 cho bộ hỗn hợp vận tốc

của tuabin tương tự như tua bin LaVal nhưng

Các giai đoạn phát triển(tt)

• Ở Anh Charles A, Parsons (1854-1953) Vào

năm 1884 ông đã chế tạo tuabin phản lực

hướng trục nhiều tầng cánh, sử dụng cánh

làm bằng đồng

d.Các kiểu trích hơi

Các kiểu trích hơi(tt)

• Tuabin có thể được ngưng hơi hay không

ngưng hơi là phụ thuộc vào áp suất đầu ra thấp

hay ngang với áp suất khí quyển(Hình 7.1b)

• Đối với thiết bị nhỏ không có thiết bị hồi

nhiệt, tuabin hơi có thể là sự kết hợp của nhiều tuabin đơn Khi hơi giãn nở qua tuabin được thải cho giàn ngưng hay tiếp tục cho quá trình

khác ( Hình 7.1b A và B )

Các kiểu trích hơi(tt)

Các kiểu trích hơi(tt)

• Đối với thiết bị lớn

không có bộ phận hồi

nhiệt thì hơi có thể

được giãn nở xuyên

qua tuabin đầu tiên sau

đó thải qua một tuabin

khác Những tuabin

sau có thể thải cho

bình ngưng hay cho

quá trình khác.

Các kiểu trích hơi(tt)

• Đối với chu trình có thiết bị hồi nhiệt , hơi từ

lò hơi dẫn tới tuabin và tại đó hơi giãn nở và thải trở về lò hơi để tiếp tục quá trình đun Hơi nước hồi nhiệt từ lò hơi chảy đến tầng trung áp hoặc tầng tua bin hồi nhiệt Ở đó nó được giãn

nở và thải vào ống phân phối hơi cung cấp hơi cho tua bin thấp áp dòng kép Hơi giãn nở qua tuabin thấp áp và thải cho

thiết bị ngưng tụ.

Các kiểu trích hơi(tt)

Các kiểu trích hơi(tt)

• Chu trình hai lần hồi nhiệt, hơi được hồi nhiệt

hai lần và cung cấp cho 4 tua bin đó là HP, IP, tuabin thấp áp và tuabin hồi nhiệt dòng kép.

Các kiểu trích hơi(tt)

Các kiểu trích hơi(tt)

Các kiểu trích hơi(tt)

• Tua bin có bộ phận trích

hơi trung gian Hơi được

trích để gia nhiệt cho

nước Sự trích hơi này

cho hiệu suất cao hơn

mà không cần phải cố

gắng điều chỉnh áp suất

Các kiểu trích hơi(tt)

động tầng cuối tuabin dài hơn với hơi có độ ẩm

cao và tổn hao ít, kết quả hiệu suất tuabin hơi cao

Hệ thống tuabin ghép ngang loại có công suất

1300MW với hai trục dịnh hướng làm việc với tốc

độ 3600 v/p

7.2 DÒNG TRONG ỐNG PHUN

7.2.1 Vận tốc của xung áp trong dòng lưu chất :

7.2.2 Vận tốc âm thanh của khí lý

C p o − =

Áp suất trì trệ P0 có liên quan đến số Mach và áp suất tĩnh trường hợp khí lí tưởng cho bởi phương trính

sau:

1 2

1 0

γ

T

T P

P

Tính chất trì trệ(tt )

7.2.4 Ống cho dòng hạ âm và siêu

âm

7.2.5 Tỉ lệ áp suất tới hạn và

dòng cưỡng bức

Trong một ống hội tụ vận tốc ra khỏi ống là vận tốc

âm thanh khi hệ số cưỡng bức qua nó là cực đại, tại

lối ra đặt tính là tới hạn thay M =1

1 1

(To) được gọi là tỉ lệ nhiệt độ tới hạn

• Tỉ lệ áp suất tới hạn p*/p0 được định nghĩa như tỉ lệ áp suất tại cổ họng với áp suất lối vào cho dòng cưỡng bức Khi M =1 xảy ra tại cổ họng thì tỉ lệ áp suất tới hạn được tính bởi

công thức:

0 1

4 1

Vì thế, đối với không khí ở 10 bar một ống hội

tụ có áp suất khí thải 5,28 bar thì dòng hơi ra có vận tốc âm thanh một ống tăng tốc thì có áp

suất đầu vào khoảng 10 bar, áp suất đầu ra là

5,28 bar cho tải là hiệu quả nhất

Đối với khí heli: γ =1.67

48

01

67.1

k p

p

Khi hơi vào ống là hơi bão hoà khô ta có:

( )

577

0 1

135

k = 1.35

Khi hơi vào ống là hơi quá nhiệt ta có:

( )

546

0 1

3 1

k = 1.3

Cho hơi ẩm thì ta có quan hệ k theo độ ẩm :

k = 1.035 + 0.1x.

Với x thể hiện chất lượng hơi có thể sử dụng

khi x =1 thì k =1.135 tương ứng với hơi bão

hoà khô

7.2.6 Dòng trong ống phun hơi

• Phương trình năng lượng cho dòng dòng trong ống phun được rút gọn.

2 2

2 1

0 0

V h

2 / 1 3 1

0 10 44 72

• Vận tốc hơi ở cổ họng hoặc vận tốc hơi tới

hạn cho bởi công thức sau: ( )1 / 2

0

72

2 / 1 0

0

1

2 1

2 1

v

p k

Tính cho hơi bão hoà khô k=1.135 thì:

∗

V =1.03(p0v0)1/2

7.2.7 Hiệu suất của ống phun.

• Hiệu suất ống phun thì được định nghĩa

như là tỉ lệ enthalpy giảm thực tế với sự

giảm enthalpi trong quá trình đẳng entropy

n

η

s

h h

h h

1 0

T

T T

T C

T T

C

1 0

1 0

1 0

1 0

• Nếu vận tốc thực tại lối thoát của ống phun là

và vận tốc lối thoát khi dòng chảy đẳngentropi là: 1

V

s

V1

2 0

2 1

2 0

2 1

V V

V V

7.2.8 Kiểu ống.

44 h o h s n

V∗ = − ∗ η

7.2.10 Điều kiện vận hành.

7.3 HOẠT ĐỘNG CỦA TẦNG

Tuỳ theo kiểu cánh và cách thức

năng lượng được truỵền từ dòng hơi đến bánh roto, mà tuabin có thể phân

loại : Tua bin xung lực Tua bin phản lực

tuabin áp suất hơi

không thay đổi

Sự di chuyển của hơi trong

tầng cánh xung lực

Tuabin xung lực(tt)

• Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:

Động lượng của những tia phun hơi ở lối vào

cánh tuan bin – động lượng của những tia hơi

ở lối ra khỏi cánh tua bin = động lượng sinh

ra do bánh động quay gây ra lực dọc trục.

• Ở hình 7.17d – 77.17d cho ta thấy rằng bánh động quay chỉ do hiệu ứng xung lực của các tia phun ,thì những cánh gắng trên bánh đó

được gọi là các cánh xung lực

Sự di chuyển của hơi trong

tầng cánh xung lực(tt)

(Đĩa roto)

cánh tuabin

1.Biểu đồ vận tốc, biểu đồ lực và biểu đồ

• Vận tốc biên trung bình của các cánh, còn được

gọi là vận tốc trung bình của cánh, được cho bởi công thức:

D D

D D

D

D

2 1 2

2

Thành phần cosin của vận tốc hơi làm quay bánh động sinh ra momen Nó được gọi là sự biến thiên vận tốc của chuyển động xoáy,

được tính bằng công thức:

δ

α

ω ω

Ở lối vào của tam giác vận tốc ABC

(Hình 7.18(b)) ta có:

b

V V

V tg

Hệ số ma sát trong cánh được tính là tỉ số giữa vận tốc tương đối ở lối ra với vận tốc tương đối ở lối vào:

1

2

r

r b

V

V

• Các tia phun tác động lên cánh theo

1 1

2 2

• Hiệu suất trong dãy cánh :

2 1

2 1

2 2

V

V

V V

công sinh ra trên các cánh và năng lượng

W = ηD = ( 2 ∆Vω.V b ) /V1 2

Biểu đồ vận tốc của dãy cánh tuabin

xung lực đối xứng

5) Các tầng cánh của tua bin hơi:

6) Tầng áp suất:

Ba tầng áp suất

P 0 P

P P P

1 2

3 4

C.P

Enthalpy giảm trên mỗi tầng của

tuabin 4 tầng cánh

7)Tầng tốc độ :

Tầng Curtis hàng đôi

Áp suất và vận tốc trong hàng

Dãy ống phun và cánh ở hàng đôi

Biểu đồ vận tốc cho tầng Curtis hàng đôi

a:hàng đầu tiên của dãy cánh động

b:hàng thứ 2 của dãy cánh động

Tầng Curtis hàng đôi với dãy cánh đối xứng:

a)hàng đầu tiên của dãy cánh động.

b) hàng thứ 2 của dãy cánh động.

8) Hiệu suất làm việc trong tầng Curtis

Biểu đồ vận tốc cho Tầng Curtis hàng

đôi (dãy cánh đối xứng , không có ma

sát)

9) Tỉ số vận tốc tối ưu cho tầng Curtis

7.3.2 Tuabin phản lực.

Trong tuabin phản lực, áp suất giảm trong ống phun hoặc hàng tĩnh của dãy cánh, cũng như trong hàng

Độ lớn của phản lực R của turbine được xác định như sau:

Nếu (Δh)mb= 0, R= 0, đây là tuabine xung lực, và

enthanpy của hơi không giảm trên cánh động, mà toàn

bộ enthanpy giảm của tầng này chỉ xảy ra ở cửa phun

Nếu Δhfb= 0, R= 1, đây là turbine phản lực (R=

100% ), thí dụ như Hero turbine

Nếu trong trường hợp độ giảm enthanpy trên cánh

động và cánh tĩnh bằng nhau, thí dụ nếu Δhfb=

Δhmb= (Δhtổng)/ 2, R= 1/2 hoặc 50% Turbine phản

A C

D B

γ

ΔVa= 0 α= β2

β1= 180- δ

V 1 δ

β1

Công thức tính hiệu suất của cánh:

α α

2 cos

2

) cos

2 ( 2

1

2 1

2 2

1

1 2

1

2 2

1

1 1

V V

V V

V

V

V V

V V V

b b

b b

b b

V V

Biểu đồ vận tốc của turbine phản lực 50% vận hành với

hiệu suất cao nhất

Độ giảm enthanpy trong tầng này được chia giữa cánh động và cánh tĩnh.

2

)

(

2 2

2 1 2

1

V

V h

h

∆

2 2

)

(

2 2

2 1

2 1

2 2 3

2

V V

V

V h

h

s s

(

2

3 1

s

s

h

h h

h

h h

R

Tổn thất và hiệu suất:

row s

stage

s mb

s fb

( )

V

CO

η

Với ηco là hệ số tổn thất hiệu suất

Hệ số kết hợp hiệu suất giữa vòi phun và cánh

ηnb được tính như sau:

) cos

2 1

( 1

ρ η

ρ α

ρ η

η

− +

−

−

=

CO n

nb

Khi ηCO= 1, ηnb= ηn , chỉ có tổn thất gây ra bởi chỉ do ma

sát của vòi phun.Khi ηCO= 0, không có tổn thất động năng cho giai đoạn

tiếp theo (vận tốc gần bằng 0)

) cos

2 ( ρ α ρ 2η

là hiệu suất trên một hàng cánh

Để hiệu suất cánh lớn nhất:

0 2

So sánh độ giảm enthapy trong các tầng khác nhau:

2

cos 72

44

2 )

s

V h

2

cos72

.44

4)

s

V h

( )2-row Curtis 2

cos72

.44

V h

( )∆h s 50%reaction stage : ( )∆h s simpleimpulsestage : ( )∆h s 2-rowCurtisstage = 1: 2 : 8

Vì vậy 2 hàng tầng tốc độ thì tương đương với 4 tầng xung

lực đơn và 8 tầng phản lực 50%

Vì thế số tầng cần thiết cho tổng độ giảm enthanpy là:

( ) ( )h s total

=

Độ giảm động năng do ma sát thì tỉ lệ với bình phương vận tốc của hơi Vì vận tốc của môi chất cao nhất ở 2 hàng tầng tốc độ, và thấp nhất ở tầng phản lực 50%, nên độ giảm động năng do ma sát ở tầng phản lực là thấp nhất trong khi ở tầng tốc độ là cao nhất Độ giảm động năng ở tầng xung lực nằm giữa hai giá trị này Vì vậy, hiệu suất của tầng phản lực sẽ cao nhất và hiệu suất của tầng tốc độ sẽ thấp nhất, hiệu suất của tầng xung lực sẽ nằm giữa hai giá trị trên.

ηreaction (50%) stage > ηsimple impulse > η2-row Curtis

cos 2

+

Số tầng cần thiết có thể ước lượng từ công thức:

( )s stage

rowCurtis s

Với Δhs : độ giảm enthanpy

Sự sắp xếp các tầng cho một turbine 15 tầng được viết như sau:

,

14 13

4 3

2 1

2

MB FB

MB FB

MB FB

MB FB

MB FB

MB FB

MB GB

7.3.3 Sự thay đổi vận tốc dọc theo cánh quạt dài:

Trong vùng áp suất thấp, những cánh dài thì khá lớn.Vận tốc

tại chân cánh [(ЛD root N)/60] sẽ nhỏ hơn nhiều so với ở điểm

giữa vẫn còn nhỏ hơn so với tại đỉnh cánh [(ЛD tip N)/60] Vì

vậy, để đạt hiệu suất cao, góc đặt cánh phải thay đổi với

đường kính (hình 7.37) Vì lý do đó, cánh xoắn được sử dụng trong tầng lớn hơn của turbine Đường thẳng trong hình 7.37 biễu diễn bán kính của bánh công tác Đường thẳng đứng giữa đỉnh và chân của bán kính là cánh quạt dài Hơi vào và ra khỏi cánh với vận tốc V1, V2 Vì Vb tỉ lệ với bán kính, góc β1 sẽ

thay đổi cho phù hợp Biểu đồ vecto tại chân cánh giống như của cánh xung lực, còn tại đỉnh cánh giống như của cánh phản lực Khi cánh làm việc, V ΔV là hằng số

7.3.4 Vòi phun và cánh quạt dài:

Khoảng cách cho dòng chảy đi qua của miệng vòi phun được ước lượng như sau: A = Ohn

Với O= chiều rộng của dòng chảy ở cửa ra tại chiều cao

trung bình của vòi phun, và hn= chiều cao của vòi phun

ρ

α

n n

D h

t A

Từ phương trình liên tục, ta thấy:

1

1 1

1

v

V

A v

tn n

(

sin

1 1

h

n b

• Mặt dù công thức (7.89) chỉ qua rằng lối vào tại cánh quạt dài bằng lối ra tại vòi phun dài, nhưng thông

thường thì lối vào tại cánh quạt được tăng lên một

chút, có tác dụng ngăn ngừa sự rò rỉ của dòng môi chất

phát ra từ vòi phun Sự gia tăng ở chiều cao lối vào

cánh được gọi là “over lap” và có giá trị bằng nhau tại

chân và tại đỉnh cánh hb cao hơn hn 1.6mm ở những

tầng áp suất cao và hơn 20mm ở tầng có áp suất thấp

của những turbine lớn, như vậy over lap có giá trị thay

đổi từ 1.6mm đến 20mm

Từ phương trình liên tục, vùng cần thiết của vòi phun để cho dòng chảy đạt vận tốc ωs được cho bởi

• Khi hơi có áp suất cao, V1 nhỏ và V1= Vb/cosα đối với cánh phản lực 50%, và V1= 2Vb/cosα đối với cánh xung lực nếu những cánh làm việc với hiệu suất lớn nhất Do

đó, tại tầng đầu tiên của turbine, diện tích dòng chảy cần thiết (An) nhỏ Thực tế:

m

với Dm được tính từ giá trị của Vì An nhỏ và được tính từ

α và ktn, giá trị của hn luôn quá nhỏ để chế tạo

• Hơn nữa, cánh theo sau vòi phun dĩ nhiên là rất ngắn, lại khó chế tạo Cánh ngắn như vậy hiệu suất cũng thấp

Thích hợp sử dụng một chiều cao tối thiểu 20 mm cho

cánh ban đầu Vì vậy, chiều dài của vòi phun ở tầng đầu tiên không thể dài hơn 20mm, hay:

Nếu vòi phun hình nón, thì đường kính của mỗi vòi phun cũng rất nhỏ Thực nghiệm chứng minh rằng hiệu suất của vòi phun đường kính nhỏ thì nhỏ hơn hiệu suất của vòi phun đường kính lớn

( )h b min ≅ ( )h n min ≅ 20mm

Chiều cao cần thiết của vòi phun hn cho 1 dòng chảy đã cho ít hơn nhiều

hình 7.39 cung cấp một bộ phận của hơi ở tầng đầu tiên

Do đó, bởi việc tăng sự đánh giá hn tới cực tiểu có thể bỏ qua (~ 20 mm) và đồng thời một phần của mặt sàn của chu vi của màng chắn vòi phun, vùng yêu cầu của dòng chảy (An) cho một dòng hơi nhất định tại điều kiện đã cho thu được Để cung cấp đầy đủ, toàn bộ cung hay chu vi của màng chắn vòi phun (ЛDm) mở ra cho dòng hơi đi vào Để cung cấp một bộ phận, cung hay chu vi mở cho dòng hơi đi vào là (xЛDm), với

x nhỏ hơn đồng nhất

Với cung cấp một bộ phận, cánh đi qua sẽ không luôn luôn nhận được dòng hơi từ vòi phun Do đó, khi tiếp xúc xen kẽ những dòng chảy của hơi nước với vận tốc cao, những cánh phải chịu sự dao động mà có thể gây nguy hiểm nhất là đối

với những cánh dài

2.Tầng cuối cùng cánh dài:

• Tầng cuối thì rất quan trọng trong thiết kế turbine hơi

Khi mà áp suất hơi giảm trong suốt quá trình giản nở, thể tích riêng tăng lên Thể tích dòng hơi tăng lên cần phải

tăng vùng dòng chảy Do đó, hb và Dm tăng với sự giảm của áp suất Ở tầng cuối cùng, áp suất là nhỏ nhất, và vì thế hb và Dm có giá trị lớn nhất

• Những cánh được giữ tại một đoạn cuối với rotor trong khi những đoạn cuối khác thì tự do Vì thế chúng giữ vai trò như những trụ đỡ tải trọng phân bố của hơi lên chúng Chúng phụ thuộc vào những ứng suất uốn Vì chúng quay

ở tốc độ cao, nên chúng cũng phụ thuộc vào ứng suất ly tâm Khi chiều cao cánh tăng, thì ứng suất uốn và ứng

suất ly tâm cũng tăng

Vì những ứng suất này, nên chiều cao và đường kính của

cánh bị hạn chế Vận tốc cực đại của cánh bị cũng giới hạn

phụ thuộc vào vật chất làm cánh, chỉ khoảng 350-400 m/s

( )

60

/350)

max

N

D s

f

2

50 120

Đối với cánh thẳng, chiều cao tối đa của cánh khoảng 20% của đường kính vòng cánh trung bình hay,

(h b D m ) max = 0.20

Ta cần vượt hơn tỉ lệ này bởi vì những yêu cầu của dòng chảy, những cánh có thể có hình dạng nón hay xoắn, do đó giảm bớt cả lực uốn và cả ứng suất ly tâm Với những sự cải biến này, chiều cao của cánh có thể đạt 30% của đường kính vòng cánh trung bình Vì vậy, đối với cánh xoắn hay cánh hình nón thì,

( )h b max = 2.23× 0.3 = 0.67m

Vùng chảy của hơi (Ab) cũng có thể tăng lên vì góc của cánh tăng, tương tự góc α của vòi phun cũng tăng Tuy nhiên hiệu suất cánh có thể giảm đi Bằng cách giảm bớt số vòng quay

trong 1 phút, thì hb và Dm có thể tăng lên Nhưng cũng sẽ tăng khối lượng và kích thước của rotor đồng nghĩa với việc tăng giá thành Vì vậy nó không đáng

Khi cánh quạt dài trở thành một bộ phận của đường kính tầng tổng, thì tỉ lệ của hơi làm cho vận tốc của cánh thay đổi dọc theo chiều dài của cánh Hình 7.41 biểu diễn sơ đồ vận

tốc tại chân và đỉnh của cánh xoắn nhận được dòng hơi

chuyển động trong dòng chảy xoáy (V1r1=V2r2) Chân cánh

được thiết kế cho dòng chảy xung lực, còn đỉnh cánh được