CHƯƠNG 1. KẾT CẤU TUA BIN KHÍ TÀU THỦY
1.2 Kết cấu buồng đốt tua bin khí
Buồng đốt của tuabin khí là nơi xảy ra quá trình cháy của nhiên liệu trong môi trường không khí nén tạo thành dòng khí cháy có nhiệt độ xác định.Hóa năng của nhiên liệu chuyển thành nhiệt năng thông qua quá trình cháy, khi đó nhiệt độ của chất công tác tăng mạnh so với nhiệt độ không khí sau máy nén vào tuabin. Buồng đốt tuabin khí cần đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật chung của một động cơ nhiệt và các yêu cầu về khác như:
kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhỏ, cháy hoàn toàn nhiên liệu ở mọi chế độ làm việc, không bám muội lên các thiết bị buồng đốt….
Cấu tạo buồng đốt rất đa dạng, một buồng đốt đơn giản thể hiện trên hình 1.6.
Hình 1.6. Sơ đồ phân phối khí trong buồng đốt.
1. Ống khuếch tán; 2- Rãnh vòng; 3- Thân buồng đốt; 4- Ống lửa; 5 – Lỗ của khoang thứ nhất; 6 – Lỗ của khoang thứ hai; 7- Lỗ làm mát; 8- Vòi phun nhiên liệu; 9-
Thiết bị đánh lửa.
Hình 1.7. Sơ đồ làm việc của buồng đốt.
64
1- Cánh tạo xoáy lốc; 2 Vòi phun; 3- Thiết bị đánh lửa; 4- Vỏ; 5- Ống lửa; 6- Ống hòa trộn; 7- Ống khuếch tán; I- Khoang gió thứ nhất; II- Khoang gió thứ
hai.
Hình 1.8. Mô hình dòng không khí và sự cháy trong buồng đốt.
Không khí cấp vào buồng đốt từ máy nén có tốc độ cao – động cơ hiện nay khoảng 150m/s. Để giảm tổn thất về áp suất và tăng áp suất thì cần giảm đáng kể vận tốc của không khí sau máy nén. Vì thế ở tuabin khí sau máy nén luôn bố trí ống khuếch tán 1 ( Hình 1.7). Tiếp đó không khí đi vào rãnh vòng giữa vỏ buồng đốt 3 và ống lửa 4. Trong ống cháy không khí được chia theo các lỗ ở hai vùng – vùng cháy 5 ( vùng thứ nhất) và vùng hòa trộn 6. Ngoài ra không khí còn đi qua lỗ 7 để làm mát cho thành ống cháy.
Nhiên liệu cấp vào ống cháy qua vòi phun 8. Khi khởi động tuabin, nhiên liệu cháy trong buồng đốt nhờ thiết bị đánh lửa bằng điện 9.
Tuần hoàn không khí trong vùng thứ nhất tạo điều kiện cho quá trình cháy ổn định và hiệu quả. Tỉ lệ nhiên liệu và không khí ở vùng thứ nhất là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình cháy và đặc tính làm việc của buồng đốt. Để quá trình cháy bền vững ở các chế độ làm việc của động cơ ở khoang thứ nhất chỉ cấp một phần không khí, phụ thuộc vào phương thức cháy mà lượng không khí đó có thể thay đổi. Hình 2.1 cho thấy tỉ lệ phân phối không khí trong một buồng đốt điển hình, ở đó 20% không khí đi vào khoang thứ nhất, 80% đi vào ống cháy ( 20% vào vùng cháy, 20% vào vùng hòa trộn và 40% làm mát thành buồng đốt. Có một số trường hợp vùng cháy chia làm hai – vùng tuần hoàn và vùng cháy hoàn toàn.
Ống khuếch tán – để giảm vận tốc không khí vào buồng đốt từ máy nén giảm xuống đến khoảng 50-80m/s
Cánh xoáy lốc – để đưa không khí vào vùng cháy thứ nhất và tạo thành dòng không khí xoáy lốc, giúp cho quá trình hòa trộn với nhiên liệu tốt hơn.
Ống lửa – dùng để ngăn, tạo thành không gian cháy của buồng đốt và chịu nhiệt Thiết bị phun nhiên liệu – phun nhiên liệu liên tục vào trong ống lửa buồng đốt, vòi phun dưới dạng một vòi phun với hiệu quả ly tâm làm dòng dầu chuyển động xoáy, đảm
65
bảo độ sương mịn. Để làm mát vòi phun khỏi bị cháy thì trên đầu có mũ chụp và làm mát bằng không khí.
Thiết bị đánh lửa - để đốt cháy nhiên liệu khi khởi động tua bin khí.
Buồng đốt tua bin khí có thể phân loại theo các cách sau:
• Theo hướng cấp nhiên liệu:
- cấp nhiên liệu cùng chiêu với dòng không khí - cấp nhiên liệu ngược dòng với dòng không khí
• Theo hướng chuyển động của dòng không khí - Theo một hướng
- Ngược chiều - Chuyển động xoay
• Theo phương pháp phun nhiên liệu
- Phun nhiên liệu bằng vòi phun ly tâm với áp lực cao - Phun nhiên liệu bằng khí nén
- Phun nhiên nhiệu với áp lực thấp có dùng thiết bị hóa hơi - Phun nhiên liệu qua rãnh vòng.
Dạng buồng đốt phổ biến nhất của tuabin khí là: buồng đốt dạng ống, dạng ống - vòng và dạng vòng.
a) Buồng đốt dạng ống.
Hình 1.9. Buồng đốt dạng ống hãng Rolls- Royce.
1- Thân trong động cơ; 2 – Vỏ; 3- Bích nối với máy nén; 4- Khớp nối; 5- Ống xả nước; 6- Vách ngăn cháy ngược; 7- Vòi phun; 8,9- Khoang 1 và 2; 10- Ống
khuếch tán; 11- Thiết bị gom không khí.
Ở buồng đốt dạng ống các ống cháy có thân riêng và tạo thành từng buồng đốt riêng rẽ.Hình 1.9 là buồng đốt dạng ống với 8 buồng đốt riêng biệt phân bố xung quanh
66
thân 1 của động cơ. Các buồng đốt riêng rẽ này nối với máy nén qua bích nối 3. Thân của từng buồng đốt và ống lửa liên kết với khớp nối 4 để cân bằng áp suất giữa các ống lửa.
Ngoài ra, thân của các buồng đốt nối thống với nhau bằng ống xả 5 để xả dầu trong trường hợp động cơ khởi động không thành công. Phần tiết diện phía trước buồng đốt có nhiệt độ thấp được bố trí hệ thống nhiên liệu. Nhiên liệu phun vào trong buồng đốt qua vòi phun 7. Dầu cấp tới vòi phun qua khoang 8 và 9. Tại cửa vào buồng đốt bố trí ống khuếch tán 10. Không khí qua cửa nạp 5 cấp vào khoang thứ nhất của ống lửa, không khí tạo thành dòng xoáy lốc để dễ dàng hòa trộn với nhiên liệu. Sản phẩm cháy ra khỏi ống lửa được đưa vào ống góp 1 rồi đưa vào cụm ống phun của tua bin.
Hình 1.10. Một buồng đốt dạng ống.
1- Ống lửa; 2- Vòi phun; 3- Bộ xoáy lốc; 4- Thiết bị treo ống lửa; 5- Gió cấp 1; 6 – Màng; 7- Lỗ vùng thức nhất; 8- Lỗ vùng hòa trộn; 9- Hệ thống làm mát; 10- Vòng
làm kín; 11- Vỏ; 12- Bích nối với máy nén; 13- Ống khếch tán;
67
Hình 1.11. Các ống lửa buồng đốt b) Buồng đốt dạng ống - vòng.
Hình 1.12. Buồng đốt dạng ống – vòng động cơ PC-90A.
1- Vỏ ngoài buồng đốt; 2- Vỏ trong buồng đốt; 3- Ống lửa; 4- Vòng ngoài ống góp khí; 5- Vòng trong ống góp khí; 6- Cột chịu lực; 7- Vòng ngoài ống khuếch tán; 8-
Vòng trong ống khuếch tán; 9- Khoang lọc khí; 10- Bích lọc khí; 11- Vòi phun;
12- Khoang chứa dầu vòng 1; 12- Khoang chứa dầu vòng 2; 14- Đường cấp dầu tới vòi phun; 15- Nến đánh lửa; 16- Ống; 17- Khớp nối;18- Thiết bị treo ống
lửa;19- Lỗ vùng thứ nhất; 20- Lỗ vùng hòa trộn; 21- Khung đỡ buông
Phụ thuộc vào hướng chuyển động của dòng khí qua buồng đốt ta có thể chia buồng đốt ra thành cùng chiều và ngược chiều ( dòng khí có sự thay đổi hướng chuyển động). Hình 1.12 biểu diễn một buồng đốt ngược chiều của hãng Rolls – Royce. Không khí vào máy nén khí qua ống 1 vào khoảng không gian giữa vỏ 2 và ống lửa 3, sau đó đi vào qua tấm chắn 4, cánh xoáy lốc 5, ống 6 và lỗ 7 vào trong ống lửa. Nhiên liệu phun vào buồng đốt qua vòi phun 8. Quá trình cháy diễn ra trong buồng đốt và phần khí cháy qua đường ống 9 dẫn vào tuabin. Ở buồng đốt ngược dòng xảy ra sự đổi hướng của dòng khí sẽ làm tăng tổn thất áp suất và thường sử dụng cho những động cơ bị giới hạn về chiều dài.
68
Hình 1.13. Buồng đốt ngược dòng.
1- Không khí từ máy nén; 2- Vỏ buồng đốt; 3- Ống lửa; 4- Tấm chặn; 5- Thiết bị xoáy lốc; 6- Ống nối; 7- Lỗ vùng hòa trộn; 8- Vòi phun; 9- Ống dẫn sản phẩm
cháy.