Khi giãn nở trong phần chuyền hơi của tuốc bin, hơi không những chỉ truyền mô men quay cho rôto do các lực vòng tác dụng lên cánh động, mà còn cả lực dọc trục, không sinh công và chuyền về paliê chắn. Thông thường, lực này cố đẩy rôto theo chiều dòng hơi, hơn nữa, có khi lại đạt tới giá trị lớn. Để đảm bảo cho tuốc bin làm việc an toàn, và an toàn cho paliê chắn, cần xác định khá chính xác lực dọc trục.
Muốn vậy, ta sẽ khảo sát lực dọc trục tác dụng lên một trong các tầng trung gian của tuốc bin nhiều tầng (Hình 7.15). Tầng này được biểu thị trên hình 7.16 với tỷ lệ đã được khuyếch đại.
Lực vòng truyền lên cánh động đối với tầng thứ n có phun hơi toàn phần là: Ra' = G(C1n sinα1n C2n sinα2n) + πdnln(P1n - P2n) (7-35)
Nếu áp suất hơi P'1n và P2n ở cả hai phía đĩa không bằng nhau, thì đĩa chịu một lực dọc trục tác dụng bằng :
Ra"= S1 (P'1n + P2n) = π
4[( dn - ln)2 - d2n2] ( P'1n - P2n) (7-36) Trong đó :
dn - Đường kính trung bình của tầng d2n - Đường kính của bạc chèn ln - Chiều cao của cánh động
Nếu đường kính d1n và d2n của chèn trung gian ở cả hai đĩa không bằng nhau, như ở hình 7-16, thì lực dọc trục truyền cho bề mặt mút trong giới hạn của tầng do hiệu của các đường kính chèn gây nên sẽ là :
Ra"’= π
4( d2n2 - d1n2) P'1n (7-36)
Để giảm bớt lực dọc trục tổng chuyền về paliê chắn, trong tuốc bin hơi nước người ta có gắng cân bằng nó. Có thể đạt được điều đó bằng cách, ví dụ, tăng đường kính của chèn cuối phía trước (Hình 7-15) và nối buồng chèn trung gian A với bình ngưng hay là với tầng trung gian có áp suất không lớn. Như vậy là đã tạo được lực cân bằng hướng ngược chiều dòng hơi và giảm bớt phụ tải cho paliê chắn. Chi tiết để cân bằng lực dọc trục ấy được gọi là đĩa (pit tông) cân bằng hay là đĩa giảm tải.
Nếu sử dụng các ký hiệu trên Hình 7-15, và chấp nhận rằng : 1 III Z 1 II Z 1 I Z 1 R Ra Ra Ra +∑ +∑ = ∑ (7-37)
Ký hiệu phản lực của paliê chắn qua Ry và giả thiết rằng, hơi rút từ buồng của đĩa giảm tải được đem về tầng trung gian, mà áp suất trong đó với phụ tải tính toán bằng Px, thì tổng các lực dọc trục chiếu theo chiều trục sẽ bằng :
Những lực hướng về phía bên trái :
Ry+π P
4 1 (dx2 - d1n2) + π
4 P2 (dx2 - d022) Những lực hướng về phía bên phải
PX +π
4 (dx2 - d012) + π
4 Z
Z
∑ P'1n (d2n2 - d1n2) + R1 Giải phương trình này ta tìm được :
dn d2n d1n G1y G2y 1n p2n p' 1n
Hình. 7.16 Sơ đồ tuốc bin xung lực (có bánh tĩnh)
dx = 2 01 2 1 1 2 02 2 2 2 1 2 2 1 2 1 1 ) ( ) ( ' ) ( 4 1 d P d P d d P d d F R R P P n n n Z n x Z Y x − + − − − + − − π ∑
Đẳng thức này chứng tỏ rằng, dx phụ thuộc vào phụ tải Ry mà paliê chắn có thể chịu đựng được.
Nếu trong tuốc bin tất cả các tầng đều là xung lực thuần túy, còn đĩa thì có đầy đủ lỗ cân bằng, nếu bỏ qua lực dọc trục trong chèn lắt léo, thì có thể xem Ry = 0 là gần đúng. Trong trường hợp này, để cho phụ tải dọc trục bằng không, chỉ cần chế tạo đường kính bằng không, tức là :
dx = d1 = d01 = d2n = d1n = d2 = d02
Như vậy là piston cân bằng bằng với chèn cuối bên ngoài.
Trong tuốc bin phản lực, cánh động được lắp trực tiếp lên tang trục và không có bánh tĩnh trung gian, lực Ra" không có, nhưng lực Ra"' lại rất lớn, bởi vì mức độ tăng đường kính của tầng hoàn toàn do hiệu của các đường kính tang trục xác định :
Ngoài ra, trong tầng phản lực, lực Ra' là lớn, vì giáng áp lên cánh động lớn. Đối với cụm tầng phản lực có đường kính trung bình bằng nhau và chiều cao cánh quạt ít thay đổi, bỏ qua hiệu của lượng chuyển động theo chiều trục, có thể viết :
∑ Ra' = πdlm ∑(P1n- P2n) = πdlm ∑ρ(Pon- P2n) = πdlm ρ(Po - P2) (7- 38) Trong đó Po và P2 - áp suất ởí đầu và cuối cụm tầng phản lực. Để cân bằng lực dọc trục đáng kể xuất hiện trong tuốc bin phản lực người ta áp dụng đĩa giảm tải với đường kính lớn (hình 7.15). Nếu trong tuốc bin phản lực tất cả các cánh động được lắp trên tang trục hình trụ, còn áp suất Px bằng áp suất sau tầng cuối cùng, thì lực dọc trục được cân bằng hoàn toàn với điều kiện là đường kính của đĩa cân bằng dx bằng đường kính trung bình của tầng giữa.
Trong tuốc bin nhiều tầng không có quá nhiệt trung gian người ta cố gắng cân bằng lực dọc trục bằng cánh hướng dòng hơi trong thân máy thứ nhất và thứ
hai đi ngược chiều nhau (Hình 7.17). Đồng thời lực dọc trục của từng thân máy có thể cân bằng hoàn toàn và không cần đến đĩa cân bằng nữa.
Trong tuốc bin có quá nhiệt trung gian không thể thực hiện sự cân bằng bằng phương pháp ấy khi có chế độ quá độ được ; bởi vì do quán tính lớn của thể tích hơi trong đường ống dẫn hơi quá nhiệt, áp suất trước phần trung áp của tuốc bin thay đổi không đồng thời với sự thay đổi áp suất trước phần cao áp của tuốc bin. Cho nên lực R1 và R2 (Hình 7.17) đã được cân bằng ở chế ổn định có thể khác nhau nhiều ở chế độ quá độ, và như vậy sẽ tạo nên lực quá lớn, không cho phép lên pailê chắn. Vì nguyên nhân ấy mà trong tuốc bin có quá nhiệt hơi trung gian các rôto PCA và PTA phải được cân bằng riêng. Đối với tuốc bin có trích hơi điều chỉnh cũng tiến hành cân bằng lực dọc trục riêng tương tự như vậy.
Tác dụng lên paliê chắn còn có các lực dọc trục phụ từ rôto của máy được truyền động (máy phát điện, quạt nén,v.v...) Theo quy tắc, những lực ấy không lớn lắm. Lực dọc trục đáng kể có thể xuất hiện trong các khớp trục ấy chuyển động theo dọc trục và mỗi rôto có paliê chắn riêng của nó. Lực dọc trục phụ cũng
PCA PHA
R1
R2
Hình 7.17 Cân bằng lực dọc trục trong tuốc bin có hai thân máy
có thể phát sinh khi có giản nở nhiệt của rôto và khi chuyển động dọc trục của khớp trục bị hạn chế ...
Trong tuốc bin lớn hiện tại, nếu những lực dọc trục phụ ấy quá lớn, thì người ta chỉ dùng khớp trục cứng.
Trong quá trình vận hành lực dọc trục trong tuốc bin có thể thay đổi do thay đổi độ phản lực trong các tầng riêng lẻ hay trong từng cụm tầng, do thay đổi hơi rò qua chèn bánh tĩnh và chèn trên đai,v.v...
Sự thay đổi lực dọc trục có thể xảy ra do chuyển từ chế độ này sang chế độ khác nhanh quá. Hơn nữa, sự thay đổi nhanh nhiệt độ trong các chi tiết của rôto và stato sẽ làm thay đổi các khe hở trong chèn và tương ứng, sẽ làm thay đổi lực dọc trục.