Hình 2.25. Tuabin khí tàu thủy 5 tầng công tác.
1 - Cổ ống vào. 2- Stator. 3- Vỏ tuabin . 4- Bộ phận dẫn hướng. 5- Cánh tĩnh. 6- Cánh động.
Với những lưu ý về những ảnh hưởng đáng kể của tuabin khí đến những tính chất của toàn bộ tổ máy tuabin khí, có thể kể ra một số những yêu cầu kỹ thuật quan trọng đối với tuabin khí là:
1. Hiệu suất của chuyển đổi năng lượng trong tuabin phải cao.
2. Cánh quạt của tuabin làm việc với nhiệt giáng lớn ở tốc độ vòng cao.
3. Độ sử dụng cao vật liệu của bộ phận truyền dòng của tuabin, và độ sử dụng không gian lớn.
4. Có thể thực hiện những vấn đề phức tạp về khí động học và cơ học nhờ thiết kế an toàn với tính công nghệ vừa phải của các loại hợp kim chịu lửa khó gia công.
2.8.3.2. Những phần tử chính của tuabin khí và sự phân chia tuabin khí tàu thủy.
Tuabin khí có những phần tử thiết kế chính sau:
1. Cổ ống vào: dẫn các sản phẩm cháy từ buồng đốt vào dãy cánh tuabin. 2. Dãy cánh tĩnh: chuyển nhiệt năng thành động năng.
3. Rôto: để lấy công suất từ dòng chuyển động của các sản phẩm cháy. 4. Cổ ống ra: dùng chuyển đổi một phần động năng thành thế năng áp suất và dẫn các sản phẩm cháy vào ống thoát.
5. Làm mát các bộ phận của tuabin. 6. Các phụ kiện của tuabin.
Theo cách bố trí kết cấu có thể chia tuabin khí thành:
a) Theo hình dạng của rôto tuabin khí có thể chia thành loại rôto có đĩa và loại rôto tang trống.
b) Theo hướng dòng thành tuabin khí dọc trục và tuabin khí hướng kính. c) Theo cách làm mát thành loại tuabin khí có làm mát (đối với sản phẩm cháy có nhiệt độ cao) và loại tuabin khí không làm mát (đối với sản phẩm cháy nhiệt độ thấp).
Chức năng của taubin khí là biến năng lượng của sản phẩm cháy từ buồng đốt thành các dạng năng lượng khác nhau để cung cấp cho các hộ tiêu dùng (quay chân vịt, quay máy phát điện, quay bơm nước, chiếu sáng…). Chính vì thế trong tuabin có rất nhiều chi tiết lắp ghép lại với nhau để thực hiện chức năng trên. Những chi tiết, bộ phận điển hình của tuabin khí là: Cổ ống vào, stator, rôto, cổ ống ra…
2.8.3.3.1. Cổ ống vào.
Hình dạng của nó được xác định bởi phương án thiết kế tuabin. Có thể dẫn dòng sản phẩm cháy theo hướng dọc trục từ buồng đốt vào các cánh tĩnh của tầng tuabin đầu tiên (tuabin cao áp hay tuabin chạy tải ngọn) hay dẫn các sản phẩm cháy từ hướng vuông góc với trục quay sang hướng dọc trục. Dự thảo thiết kế về mặt khí động phải được chứng minh bằng những lần thử theo mô hình nó cần đảm bảo cho dòng khí trong các rãnh có tổn thất thuỷ lực cực tiểu, có độ đồng đều của trường nhiệt độ và tốc độ và có sự biến đổi góc của dòng vào cánh tĩnh đầu tiên phù hợp. Tính toán độ bền cần đảm bảo tạo hình dáng thích hợp sao cho ngoại lực và lực áp suất trong với các trạng thái chuyển tiếp, khi phụ tải biến đổi và khi mở máy không phá vỡ ổn định về hình dạng của chi tiết máy trong mọi trạng thái vận hành.
Để tăng độ cứng của cổ ống dẫn vào người ta dùng lớp cách nhiệt bên trong. Đôi khi thay cho lớp cánh nhiệt người ta tạo các khe rỗng để thổi gió ở giữa làm tách dòng sản phẩm cháy với thân. Để giảm các vết nứt bên trong thân, thì yêu cầu phân bố nhiệt độ đều tại cổ ống dẫn hay trường nhiệt độ đối xứng qua trục với các lực cân bằng.
2.8.3.3.2. Stator (bộ phận đứng yên).
Bộ phận này gồm thân với các bánh tĩnh dùng phân phối dòng. Thân tuabin khí phần lớn được bảo vệ dưới tác tác dụng trực tiếp của sản phẩm cháy nhờ tấm cách giữa bộ phận đặt các bánh tĩnh với thân trung gian và các dòng chèn phía trên dãy cánh động. Nguyên nhân chính dùng thân trung gian là nhằm tạo được sự phân bố nhiệt quanh chu vi gần như nhau. Thân trung gian cũng đã chia stator thành các phần có chức năng như chịu lửa, giới hạn dòng sản phẩm cháy và phần áp suất với
nhiệt độ thấp hơn dùng chuyển đổi những ngoại lực và nội lực áp suất, nhằm tạo ra khả năng thích hợp cho quá trình biến đổi dòng nhiệt trong tuabin và cũng để thuận tiện khi mở máy. Thay thế lớp bảo bên trong của thân, trong thiết kế người ta đưa không khí áp suất thấp qua không gian giữa lớp lót bên trong và thân. Những bánh tĩnh do nguyên nhân biến đổi mạnh của nhiệt độ nên thiết kế phức tạp hơn ở tuabin hơi, vì thế trong thiết kế cho phép các cánh tĩnh hoặc các cụm cánh tĩnh với số cánh nhỏ và có thể dãn nở được. Khe hở dọc trục tương đối lớn do dãn nở nhiệt làm giảm những lực kích thích do trường dòng ra không đều sau các mép cánh dẫn. Ngoài ra, để đạt được hiệu suất cao yêu cầu chèn hướng kính trên vành các cánh động bằng các vòng chèn. Thiết kế các vòng chèn cần đảm bảo ổn định hình dạng của các vòng ở tất cả các trạng thái vận hành một cách độc lập với biến đổi hình dạng của thân.
2.8.3.3.3. Rôto (phần quay).
Cấu tạo rôto do cách làm cánh xác định. Muốn chịu được những nhiệt độ cao hơn thì dùng rôto có đĩa, vì loại này làm mát dễ hơn. Rôto dạng tang trống có ưu điểm hơn về mặt công nghệ nhưng chỉ phù hợp đối với nhiệt độ sản phẩm cháy thấp.
Rôto có đĩa được làm nhờ bulông lắp ghép gắn đĩa vào các bích hay nhờ bulông siết ở tâm hay bằng vài bulông đặt theo chu vi. Để các bánh động có thể dãn nở theo hướng kích một cách độc lập người ta thường nối trục với đĩa nhỏ và răng khía dọc trục kiểu Hith. Rôto thường được đặt trong hai ổ đỡ một cách xác định về mặt tĩnh học hay đối với loại có một đến hai tầng thì lắp đĩa lên trục có một đầu tự do.
Đối với thiết bị tuabin khí tàu thủy có tốc độ vòng cao, cánh được gắn vào đĩa nhờ chân cánh dạng cây thông ngược với ba đến sáu răng có bề mặt tỳ nghiêng, để đảm bảo cho cánh có thể lắp tự động vuông góc với trục quay. Tổ máy với tuabin chia thành từng phần thường có rôto loại lắp đĩa một phía trong một thân tuabin. Cánh quạt động luôn là loại xoắn được hiệu chỉnh thích hợp với tiết diện nhỏ dần từ
gốc đến đỉnh vừa làm giảm trọng lượng cánh vừa ít nguy hiểm khi đầu cánh chạm phải thân không gây tích tụ nhiệt cục bộ lớn tạo hiệu quả vận hành tốt.
Hình2.26. Hình cắt rôto dạng tang trống.
Hình2.27. Hình cắt rôto dạng cây thông.
2.8.3.3.4. Cổ ống ra.
Hình dạng cổ ống ra do cách bố trí của từng loại thiết bị tuabin khí tàu thủy quyết định. Cổ ống ra thường hướng dẫn sản phẩm cháy từ hướng dọc vào hướng vuông góc với trục quay. Trong cổ ống ra là ống loe vành khăn dọc trục hay hình (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
côn để chuyển đổi một phần động năng của sản phẩm cháy thành áp suất ở lối ra từ tuabin. Hiệu suất có thể đạt được của quá trình chuyển đổi này trong ống loe là 0,5 đến 0,65. Cấu trúc cổ ống ra bị ảnh hưởng của cách đỡ phía sau của roto. Khi nối bệ đỡ sau với rãnh ra phía sau do cần có độ cứng sẽ làm thân phía sau tương đối nặng lên. Ở cách đặt gối đỡ phía sau của rôto trong vỏ bộ làm mát, nối với nền hay thân làm cổ ống ra phía sau nhẹ vì nó làm ngăn dòng sản phẩm cháy. Cổ phía sau nặng thường được trang bị lớp cách nhiệt trong có thiết kế tương tự như ở cổ vào, tất nhiên với trở nhiệt nhỏ hơn
2.8.3.4. Những đặc điểm của cánh quạt tuabin khí.
Cánh tuabin khí ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính của thiết bị tuabin khí cháy. Trong thiết bị tuabin khí tàu thủy nói riêng và cả thiết bị tuabin khí nói chung thì phần tử cần được quan tâm làm mạnh nhất là cánh quạt tuabin, đặc biệt là dãy cánh cố định tầng đầu tiên. Có nhiều cách làm mát khác nhau, trong đó đơn giản nhất là làm mát đối lưu.
Cánh quạt tuabin khí tàu thủy hiện nay được chế tạo từ vật liệu chịu nhiệt cao cấp không yêu cầu làm mát nếu nhiệt độ nhỏ hơn 950oC.
Rôto và thân thường chỉ được chế tạo từ thép thấp mác hơn, do đó phải làm mát chúng để nhiệt độ không vượt qua mức cho phép (đối với thép ferist – peclít là 530oC).
Những đòi hỏi cao đối với cánh tuabin đã được giải quyết bằng những phương pháp thiết kế khác nhau, có những dấu hiệu đặc trưng như sau:
a) Profil cánh của tuabin khí là dạng khí động học với độ cong liên tục. Nó được thiết kế cho góc quay của dòng nhỏ và cho những tốc độ dọc trục cao hơn. Để có độ bển tốt đối với các chấn động nhiệt thì chiều dày mép ra của profil cánh được chọn có độ dày thích hợp.
b) Do nhiệt giáng làm việc lớn hơn nên các cánh sẽ bị khí động lực học lớn hơn và cần biên dạng dài hơn. Để giảm bề mặt truyền nhiệt cụ thể là ở những tầng đầu tiên, các bước tương đối đặt cánh được chọn lớn hơn.
c) Để đạt được hiệu quả sử dụng vật liệu cao người ta thường chọn tỷ số chiều dài cánh trên đường kính trung bình thấp và các cánh phần nhiều được xoắn bằng hiệu chỉnh góc với profil có độ phản lực nhỏ trong khoảng 5 ÷ 10%.
d) Để giảm những tổn thất đầu cánh người ta dùng cánh có băng đai sẽ làm hiệu suất trên cánh tốt hơn 3 ÷ 5% so với cánh không dùng băng đai. Những tổn thất đầu cánh được hạn chế, nhờ dùng các vòng chèn cho phép có khe hở hướng kính.
2.9. Các hệ thống chính của thiết bị tuabin khí tàu thủy.
Cũng như động cơ diesel tàu thủy, thiết tuabin khí tàu thủy hoạt động cũng cần có một số hệ thống phục vụ để đảm bảo để tổ hợp hoạt động liên tục, an toàn… Các hệ thống đó là: hệ thống nhiên liệu; hệ thống bôi trơn; hệ thống làm mát; hệ thống thông hơi; hệ thống khí nén; hệ thống điện điều khiển… Dưới đây sẽ giới thiệu một số hệ thống cơ bản nhất.
2.9.1. Hệ thống nhiên liệu lỏng.
Nhiên liệu thường dùng cho thiết bị tuabin khí tàu thủy là loại nhiên liệu diesel, dầu hỏa, dầu ma dút và khí đốt. Trên các tàu vận tải viễn dương với yêu cầu hiệu quả kinh tế và đặc điểm không cần nhanh nên thường dùng các loại dầu nặng, với việc sử dụng loại nhiên liệu này thì hệ thống nhiên liệu của nó phải có thêm vài thiết bị hỗ trợ. Ngược lại, trên các tàu quân sự, để động cơ khởi động nhanh và làm
việc tin cậy, hệ thống gọn nhẹ, người ta chỉ sử dụng loại nhiên liệu nhẹ như nhiên liệu diesel, dầu hỏa, hoặc dầu đốt của động cơ hàng không.
2.9.1.1. Nhiệm vụ của hệ thống nhiên liệu
Dự trữ và cung cấp nhiên liệu cho buồng đốt của thiết bị tuabin khí tàu thủy phù hợp với từng chế độ tải yêu cầu đủ về số lượng và đúng chất lượng.
2.9.1.2. Các thành phần chính của hệ thống nhiên liệu thiết bị tuabin khí tàu thủy. tàu thủy.
Các thành phần chính của hệ thống nhiên liệu thiết bị tuabin khí tàu thủy bao gồm: Két chứa nhiên liệu, bơm thấp áp, bơm cao áp, vòi phun, các bầu lọc thô và tinh, tổ hợp chỉ lệnh nhiên liệu, van xả sự cố, van xả nhiên liệu thừa, van nhiên liệu khởi động, bộ tiết lưu, và các thiết bị khác.
2.9.1.3. Sơ đồ đơn giản của hệ thống cung cấp nhiên liệu lỏng (nhiên liệu diesel) cho thiết bị tuabin khí tàu thủy – hình 2.29. diesel) cho thiết bị tuabin khí tàu thủy – hình 2.29.
2.9.1.4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống nhiên liệu.
Nhiên liệu từ két tiêu thụ nhờ bơm chuyển nhiên liệu qua bình lọc thô đến bơm thấp áp.
Ở chế độ khởi động: Ban đầu van điện từ (12) mở, nhiên liệu từ bơm thấp áp đến các vòi phun khởi động và phun vào buồng đốt (hoặc phun vào các blốc khởi
Hình 2.29. Sơ đồ đơn giản của hệ thống nhiên liệu thiết
bị tuabin khí tàu thủy
(dùng nhiên liệu diese).
1- Két nhiên liệu. 2- Van. 3- Bơm chuyển nhiên liệu. 4- Bầu
lọc thô. 5- Van một chiều. 6- Bơm thấp áp. 7- Bầu lọc tinh.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1
động ). Tại đây nhiên liệu bốc hơi, hoà trộn với khí nén và được đốt cháy nhờ buji. Trong khi đó nhiên liệu từ bơm thấp áp qua bầu lọc tinh, qua bơm cao áp qua bộ phân phối nhiên liệu đến các kênh của các vòi phun chính (vòi phun chính được cấp nhiên liệu sau vòi phun khởi động). Tuỳ thuộc vào tốc độ khởi động mà áp suất nhiên liệu trước vòi phun đạt được ở mức một kênh làm việc hay hai kênh cùng làm việc (thường sử dụng vòi phun ly tâm có 2 kênh). Lúc đầu, khi tốc độ khởi động còn thấp, áp suất nhiên liệu trước vòi phun còn nhỏ, thì nhiên liệu chỉ cấp vào kênh 1, kênh 2 sẽ được cấp khí cao áp để tăng cường khả năng phun tơi nhiên liệu (dễ khởi động). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Theo thời gian, tốc độ khởi động tăng dần, khi áp suất nhiên liệu trước vòi phun đủ lớn, kênh 2 ngừng cấp khí nén đồng thời nhiên liệu được cấp cả 2 kênh. Sau khi động cơ đã tự hoạt động được (khởi động), thì van điện từ đóng, vòi phun khởi động ngừng cấp nhiên liệu.
Tuỳ thuộc vào chế độ công tác, lượng nhiên liệu được cấp vào buồng đốt được điều khiển phù hợp. Lượng nhiên liệu thừa sau bơm (6) qua van (5) về cửa hút của bơm (6). Lượng nhiên liệu thừa sau bơm 8 nhờ bộ phân phối nhiên liệu (9) trở về cửa hút của bơm (8).
- Nhiên liệu được cấp liên tục vào trong buồng đốt, do đó nhiên liệu được đốt cháy liên tục trong buồng đốt.
- Lúc khởi động, nhiên liệu không thể tự đốt cháy được, vì vậy cần phải có thiết bị mồi lửa.
- Bơm cao áp thường dùng là loại bơm rôto piston.
- Vòi phun là loại vòi phun hở, thường dùng là loại vòi phun kiểu ly tâm hai kênh.
2.9.2. Hệ thống bôi trơn.
2.9.2.1. Nhiệm vụ của hệ thống bôi trơn.
Cung cấp dầu bôi trơn đến các bề mặt ma sát cần thiết (để bôi trơn làm mát và Như vậy: So với hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel, hệ thống nhiên liệu của thiết bị tuabin khí tàu thủy có những điểm khác cơ bản như sau:
làm sạch). Cung cấp dầu cho các bộ phận điều khiển bằng thủy lực của thiết bị (đối với những thiết bị có hệ thống điều khiển thủy lực).
2.9.2.2. Các yêu cầu đối với dầu bôi trơn của thiết bị tuabin khí.
- Có độ ổn định cao trong quá trình thiết bị hoạt động
- Nhiệt độ bén lửa cao (không thấp hơn 2000C vì nhiệt độ các ổ đỡ có thể tới 150 – 1700C) và nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ công tác khoảng 500C.
- Ít bay hơi.
- Không kết tủa và tạo keo, không gây ăn mòn vật liệu chế tạo thiết bị tuabin khí.
2.9.2.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống bôi trơn thiết bị tuabin khí tàu thủy. tàu thủy.
Thành phần cơ bản của hệ thống bôi trơn trong thiết bị tuabin khí tàu thủy gồm: Két tuần hoàn, tổ hợp bơm dầu của động cơ, bể lắng dầu, bộ tách hơi dầu, cơ cấu tách dầu ly tâm, bầu lọc thô và tinh, bình sinh hàn, các loại cảm biến, các thiết bị khác.
Trong các thiết bị tuabin khí tàu thủy hiện đại, trong hệ thống bôi trơn có bộ phận dùng để đẩy hỗn hợp (khí + dầu bôi trơn) từ các hốc nằm trong thiết bị và tách dầu ra khỏi không khí. Trong quá trình thiết bị tuabin khí hoạt động, để cho dầu không rơi vào phần lưu thông của thiết bị, cần phải đưa không khí nén đến nén tại