Chương 6 CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ TUABIN KHÍ

Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong Tuabin Khí Trang 51 Chương CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ TUABIN KHÍ 6.1 KHÁI NIỆM CHUNG Là chu trình động nhiệt, thực trình biến đổi nhiệt thành công Môi chất nhiên liệu không khí, sau sản phẩm cháy Ở thực trình cháy nhiên liệu trình thải sản phẩm cháy vào môi trường 6.2.CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 6.2.1 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích (Air standard Otto cylce) Hình 6.1 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động động xylanh loại a Nạp hỗn hợp nhiên liệu không khí b Nén hỗn hợp c Buji bật lửa cháy hỗn hợp d Khí xy lanh dãn nở e Van thải mở thải khí g Quá trình quét khí Chu trình thường gặp động đốt trong, sử dụng nhiên liệu xăng khí đốt, (động có Cacbuaratơ hay gọi chế hòa khí) trình cháy xảy nhanh nên coi cháy đẳng tích (v = const) Động thuộc loại Otto phát năm 1876 nên gọi chu trình Otto Sơ đồ nguyên lý đồ thị nhiệt động thể hình 7.1 7.2 Về nhiệt động chu trình gồm trình đẳng nhiệt trình xem đoạn nhiệt xen kẽ (khi xét chu trình lý thuyết) Trường ĐHCN Tp.HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong Tuabin Khí Trang 52 Hình 6.2: Chu trình cấp nhiệt đẳng tích Các thông số đặc trưng chu trình gồm có: v1 - Tỷ số nén: ε = v2 - Tỷ số tăng áp: λ = p3 p2 Đây thông số đặc trưng chu trình, chọn trước nhà thiết kế (phải vào điều kiện sức bền, độ bôi trơn, …) Khi tính toán chu trình ta cần thực điều sau: - Từ trạng thái hỗn hợp nạp vào biết trước p 1, T1 thông số đặc trưng chu trình ε λ tìm thông số trạng thái khác (p, v, T) điểm đặc trưng 1, 2, 3, Đây điều tính toán thiết kế cụ thể động - Tính nhiệt lượng cung cấp vào q1 (xác địng mức tiêu hao nhiên liệu), lượng nhiệt thải q2, công sinh chu trình (để xác định công suất động cơ) - Tính hiệu suất nhiệt chu trình ηt (để xác định độ hoàn thiện chu trình) 2.Trình tự tính toán sau: - Trạng thái 1: biết p1, T1 → v1 theo phương trình trạng thái khí lý tưởng v - Trạng thái 2: v = , mặt khác trạng thái quan hệ với trạng thái theo ε trình đoạn nhiệt: q = v p = p1   v2 k   = p1ε k  T2  v1  =  T1  v  k −1 = ε k −1 - Trạng thái 3: Trạng thái 2-3 trình đẳng tích (v = const) → v1 p = λp = λp1ε k v3 = v = ε T3 p = = λ → T3 = λT2 = λε k −1T1 T2 p Trường ĐHCN Tp.HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong Tuabin Khí Trang 53 - Trạng thái 4: Quan hệ với trạng thái theo phương trìng đẳng tích (v = const) → v1 = v Mặt khác trạng thái quan hệ với trạng thái theo trình đoạn nhiệt, (q = const) nên: v p = p   v4 T4  v  =  T3  v  k k   v2  p  =   = k3 = λp1 ε   v1  k −1 v =   v1    k −1 = ε k −1 → T4 = T1ε k −1 λ ε k −1 = λT1 Sau tính thông số p, v, T điểm đặc trương 1, 2, 3, ta tính được: - Nhiệt lượng cấp cho trình q1: q1 = C v ( T3 − T2 ) , kJ / kg - Nhiệt lượng thải trình q2: q = C v ( T4 − T1 ) , kJ / kg - Công thực chu trình l: l = q1 − q kJ / kg - Hiệu suất nhiệt chu trình: ηt = q2 l =1− = − k −1 q1 q1 ε (6.1) Trong đó: ε - tỉ số nén k - số mũ đoạn nhiệt Như ta thấy hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng tích tăng tỷ số nén ε tăng 6.2.2 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp (Air standard Diesel cylce) - Nhiên liệu sử dụng dầu mazut, … , trình cháy xảy chậm nên coi cháy đẳng áp (p = const), chu trình cho động diezen - Về nguyên lý tính toán hoàn toàn giống chu trình đẳng tích Hiệu suất nhiệt chu trình: ηt = ρ k −1 kε k −1 ( ρ − 1) (6.2) Trong đó: ρ - tỉ số giãn nở sớm, (ρ = v2/ v1) Trường ĐHCN Tp.HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong Tuabin Khí Trang 54 Hình 6.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động động Diezel a) Nạp không khí; b) Nén không khí; c) Bơm dầu cao áp phun nhiên liệu cháy (q1v) d) Bơm dầu tiếp tục phun cháy (q1p) e) Dãn nở sinh công (q = 0); f) Van thải mở (q2 = q2v) h) Quá trình quét khí xy lanh 6.2.3 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp (Air-standard dual cycle) Nhiên liệu sử dụng dầu mazut, … , phun vào xy lanh nhờ có bơm cao áp vòi phun dạng hạt nhỏ sương mù nên trình cháy xảy nhanh coi cháy hỗn hợp (phần đầu cháy đăng tích, phần sau cháy đẳng áp), động diezen ngày Hình 6.4: Đồ thị p-v biểu diễn trình cháy hỗn hợp Về phương pháp tính toán tương tự chu trình cấp nhiệt đẳng tích Các thông số gồm có: Trường ĐHCN Tp.HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong Tuabin Khí Trang 55 - Từ trạng thái hỗn hợp nạp vào biết trước p 1, T1 thông số đặc trưng chu trình ε λ tìm thông số trạng thái khác (p, v, T) điểm đặc trưng 1, 2, 3, Đây điều tính toán thiết kế cụ thể động - Tính nhiệt lượng cung cấp vào q1 (xác địng mức tiêu hao nhiên liệu), lượng nhiệt thải q2, công sinh chu trình (để xác định công suất động cơ) - Tính hiệu suất nhiệt chu trình ηt (để xác định độ hoàn thiện chu trình) v1 + Tỷ số nén: ε = v2 + Tỷ số tăng áp: λ = p3 p2 Khi tính toán chu trình ta cần thực điều sau: - Trạng thái 1: biết p1, T1 → v1 theo phương trình trạng thái khí lý tưởng v1 - Trạng thái 2: , v2 = ε → p2 v2 k v = p1v1 → p = p1   v2 T2  v1  =  T1  v  k k   = p1ε k  k −1 = ε k −1 - Trạng thái 3: Trạng thái 2-3 trình đẳng tích (v = const) → v1 v3 = v = ε RT3 RT = Quá trình 2-3 (v = const) ⇒ v = p3 p2 đó: p = λε k p1 = λε k −1T1 - Trạng thái 4: Quá trình 3-4 trình p = const nên: ρv v = ρ v3 = ; p = p = λεp1 ε k −1 T4 = λρ T1ε - Trạng thái 5: k p5 v5 = p v k v = v1 v ⇒ p = p   v5 k   = λp1 ρ k  T5 = λρ k T1 Sau tính thông số p v T điểm đặc trương 1, 2, 3, 4, ta tính được: - Nhiệt lượng cấp cho trình q1: Trường ĐHCN Tp.HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong Tuabin Khí Trang 56 q1 = q1v + q1 p = C v ( T3 − T2 ) +, C p ( T4 − T3 ) kJ / kg - Nhiệt luợng thải chu trình q2: q = q v = C v ( T5 − T1 ) , kJ / kg - Công thực chu trình l: l = q1 − q kJ / kg - Hiệu suất nhiệt chu trình: q2 C v ( T5 − T4 ) l λρ k − ηt = = − =1− =1− q1 q1 C v ( T3 − T2 ) + C p ( T4 − T3 ) [ ( λ − 1) + kλ ( ρ − 1) ]ε k −1 (6.3) Trong đó: λ - tỉ số tăng áp trình cấp nhiệt Như từ biểu thức hiệu suất nhiệt ta thấy hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng tích tăng tỷ số nén ε tỷ số tăng áp λ tăng tỷ số dãn nở sớm ρ giảm 6.3 CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ TUABIN KHÍ 6.3.1 Khái niệm chung: - Động đốt thực nguyên tắc pittông lên xuống qua trục khuỷu – tay biên để biên thành chuyển động quay nên cấu tạo phức tạp, nhiều chi tiết, mặt khác độ chấn động lớn chuyển động với vận tốc cao (biến chuyển động song phẳng thành chuyển động quay) Đồng thời để làm kín động cần phải có xéc măng nên độ ma sát khí lớn, thích hợp với động có công suất vừa nhỏ quay không nhanh - Nguyên tắc hoạt động tuabin khí (hay tuabin hơi): Chất môi giới (khí hơi) có áp suất p nhiệt độ T cao (tức lớn) xem hình 6.5, khí chảy qua ống tăng tốc áp suất nhiệt độ giảm vận tốc tăng (động lớn) Sau dòng khí tốc độ cao phun vào cánh quạt (cánh quạt gắn đĩa nối với trục 1) Oáng phun thường gắn thân máy gọi cánh tĩnh, cánh công tác gắm đĩa công tác quay theo đĩa nên gọi cánh động Dòng khí khỏi ống tăng tốc có tốc độ cao thổi vào tầng cánh động, dòng khí tốc độ cao chảy qua rãnh cong hai cánh động làm cho đĩa trục quay (theo nguyên lý biến đổi xung lượng thành động lượng) Hệ thống tuabin khí phát điện thể hình 6.5 Máy nén hướng trục Buồng đốt 3.Vòi phun nhiên liệu Tuabin khí Máy phát điện Động khởi động Trường ĐHCN Tp.HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong Tuabin Khí Trang 57 Bơm nhiên liệu Hình 6.5: Sơ đồ nguyên lý tua bin khí phát điện Chu trình động tuabin khí biểu diễn đồ thị p-v (Hình 6.6) Về nguyên tắc tính toán hoàn toàn tương tự tính chu trình động đốt Công thực chu trình l: l = q1 − q kJ / kg Hiệu suất nhiệt chu trình: ηt = q l = − = − k −1 q1 q1 β k Trong đó: β = p2 tỉ số tăng áp máy p1 nén Hình 6.6: Đồ thị p – v chu trình tuabin khí Trong công nghiệp đại động tuabin ứng dụng vào nhiều ngành công nghiệp cần động có công suất lớn, kích thước trọng lượng nhỏ, tốc độ vòng quay lớn ngành sản xuất lượng, ngành hàng không, tàu thủy, … Động tuabin khí quay trực tiếp (không phải biến đổi sòng phẳng thành chuyển động quay động đốt trong) nên sử dụng số vòng quay lớn, ma sát ít, công suất sản sinh ứng với đơn vị trọng lượng máy nhỏ nên máy gọn, nhẹ Nhược điểm phải hoạt động nhiệt độ áp suất cao nên kết cấu vật liệu phải thật tốt, đắt tiền, yêu cầu chế tạo cao, sinh hoạt thường chưa thể áp dụng Trên hình 6.7 cho thấy cấu trúc động tuabin khí ứng dụng xe Hình6.7: Tuabin khí động ôtô Trường ĐHCN Tp.HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong Tuabin Khí Trang 58 6.4 CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC Động phản lực loại động biến hóa nhiên liệu thành động đẩy động phía trước theo nguyên tắc phản lực Sau đại chiến giới thứ hai động phản lực sử dụng rộng rãi ngành hàng không So với động đốt động phản lực có số ưu điểm sau: - Máy bay dân dụng sử dụng động đốt (máy bay cánh quạt) thường sử dụng nhiên liệu xăng chất lượng cao, suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 0,4 kg/ mã lực đẩy, động phản lực khoảng 0,07 kg/ mã lực đẩy, nghĩa 1/6 lần - Máy bay cánh quạt sử dụng động đốt bay với tốc độ 750 km/ h máy bay phản lực đạt đến 1000 – 3000 km/ h - Kết cấu động bảo trì tương đối đơn giản - Đối với động phản lực chất lượng nhiên liệu yêu cầu thấp Chu trình động phản lực thể hình 6.8 1-a: Quá trình nén khí ống tăng áp A (q = 0) a-2: Quá trình nén khí máy nén B (q = 0) 2-3: Quá trình cháy đẳng áp nhiên liệu buồng đốt (p = const) 3-b: Quá trình dãn nở khí tuabin (q = 0), cung cấp đọng lực cho máy nén bơm dầu b-4: Quá trình dãn nở đoạn nhiệt qua ống tăng tốc (q = 0) để tạo nên tốc độ theo yêu cầu A - Ống tăng áp; B – Máy nén khí; C - Buồng đốt; D – Tua bin khí; E - Ống tăng tốc Hình 6.8: Sơ đồ nguyên lý động có phản lực Trường ĐHCN Tp.HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong Tuabin Khí Trang 59 Việc tính toán chu trình tương tự động đốt p2 Gọi β = tỉ số tăng áp, ta tìm được: p1 ηt = − β k −1 k (6.4) Hiệu suất nhiệt tăng khi tỷ số tăng áp tăng, việc chế tạo máy nén có hiệu suất cao vấn đề quan trọng động tuabin khí động phản lực Trường ĐHCN Tp.HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh ... hình 6. 7 cho thấy cấu trúc động tuabin khí ứng dụng xe Hình6.7: Tuabin khí động ôtô Trường ĐHCN Tp.HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong Tuabin Khí Trang 58 6. 4 CHU TRÌNH. .. Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong Tuabin Khí Trang 57 Bơm nhiên liệu Hình 6. 5: Sơ đồ nguyên lý tua bin khí phát điện Chu trình động tuabin khí biểu diễn đồ thị p-v (Hình 6. 6) Về nguyên tắc tính.. .Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong Tuabin Khí Trang 52 Hình 6. 2: Chu trình cấp nhiệt đẳng tích Các thông số đặc trưng chu trình gồm có: v1 - Tỷ số nén: ε