Để đánh giá mức độ hoàn nhiệt, người ta đưa ra hệ số hoàn nhiệt (RT) hay còn gọi là độ hoàn nhiệt.
max q q R h T (2-14a)
Ở đây : qh = Cp(T3 –T2) là phần nhiệt lượng tận dụng được của khí thải để sấy nóng không khí nén trước khi vào buồng đốt. qmax = Cp(T6 – T2) là phần nhiệt lượng lớn nhất mà khí thải ra khỏi tuabin có thể tận dụng được để sấy nóng không khí. Khi đó độ hoàn nhiệt có thể tính theo nhiệt độ là:
2 6 2 3 T T T T RT (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 qh1p sẽ nhỏ đi một đại lượng qh so với chu trình không hoàn nhiệt,
khi đó ta có: qh1p q1p qh (2-15) ) ( ) ( 2 3 2 4 1 C T T C T T q p bd p p h
Nếu tính cả đến tổn thất trong buồng đốt đối với qh thì ta có: bd p bd p bd p p h T T C T T C T T C q ) ( ) ( ) ( 4 2 3 2 4 3 1 bd p p h 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: i S 1 2 ’ 2 6 4 6 ’ 3 7 1 2 3 4 5 6
Hình 2.9. Sơ đồ và chu trình thiết bị tuabin khí tàu thủy đơn giản có hoàn nhiệt.
bd m k mn m k tb p h i hi T T q l 4 3 1 1 ) 1 ( 1 ) 1 ( (2-17)
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.
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.
Hình 2.11. Sơ đồ thiết bị tuabin khí tàu thủy 3 trục, 2
máy nén.
1- Máy nén thấp áp. 2- Máy nén cao áp. 3,4,9- Các trục
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1 2 3 4
Hình 2.12. Sơ đồ thiết bị
tuabin khí 1 trục lai máy phát.
1- Máy phát điện. 2- Hộp giảm tốc. 3- Máy nén.
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
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 áp suất.
4. Ống thoát (tại đó, đôi khi quá trình nén kết thúc) sẽ hướng dòng không khí theo bố trí trước đối với thiết bị.
5. Các phụ kiện của máy nén (như khung đỡ trục, ổ đỡ, điều chỉnh chống sủi dòng, phân phối không khí, dầu…).
Hình 2.15. Rôto máy nén trong thiết bị tuabin khí tàu thủy.
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.