Trang bị động lực tàu thủy

Thiết bị với hệ thống điện năng chung, trong đó TBNL chính được sử dụng để làm cho tàu chuyển động cũng như để cung cấp điện năng cho tàu, được áp dụng cho các tàu chạy bằng điện.. 3- Ưu

Nha Trang 2015

1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG TÀU

1.1- SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG TÀU THỦY 1- Thuyền buồm – Thuyền chèo

Thuyền chèo đã xuất hiện hàng chục nghìn năm trước công nguyên, thuyền buồm đã có

từ 3.500 năm trước công nguyên

2- Tàu máy hơi nước

Ý tưởng chế tạo máy hơi nước đã hình thành từ rất sớm, từ quả cầu Hêrôn 120 năm trước công nguyên, đến phát kiến của Leonard De Vinci ở thế kỷ 15, và Papin (Pháp) ở cuối thế kỷ

17 Việc nghiên cứu chế tạo máy hơi nước có kết quả từ cuối thế kỷ 17 sang thế kỷ 18 Điển hình là những máy hơi nước do Severi (Anh) chế tạo vào năm 1669, Newcomen và Cowli (Anh) vào năm 1712, Polzunov (Nga) năm 1764 Tuy nhiên, các máy hơi nước này còn có nhiều nhược điểm, đặc biệt là hiệu suất rất thấp

Năm 1784 được xem là mốc phát minh ra động cơ nhiệt nhờ việc chế tạo thành công động cơ hơi nước ngưng hơi hơn hẳn các động cơ trước đó của James Watt [mặc dù công suất 20 mã lực, hiệu suất chưa cao (2,5%)]

Ý tưởng sử dụng tàu máy hơi nước hình thành năm 1802 Và năm 1807, tàu máy hơi nước guồng quay đầu tiên thành công trong kinh doanh vận tải thủy (tàu “Clecmont” do Phuntơn đóng, chạy trên sông Mississipi)

Tàu máy hơi nước đầu tiên vượt Đại Tây Dương không dùng buồm là tàu “Ciuraco”, năm 1827

Chân vịt “Achimedes” (USA) lần đầu tiên được sử dụng trên tàu máy hơi nước vào năm

1840

Tàu máy hơi nước lớn nhất là tàu Olempic và tàu Titanic, dài 268 m, đóng năm 1912

3- Tàu tuabin hơi

Tuabin hơi được chế tạo thành công vào cuối thế kỷ 19 Năm 1883, Laval (Thuỵ Điển)

chế tạo thành công tuabin hơi đầu tiên – tuabin xung kích một cấp (công suất 5 ML, tốc độ quay 25.000 v/ph) Năm 1884, Parsons chế tạo tuabin hơi phản kích nhiều cấp, công suất 10

ML, tốc độ quay 17.000 v/ph

Tuabin hơi do Parsons chế tạo sớm được dùng làm nguồn động lực cho tàu thủy Chiếc tàu đầu tiên lắp tuabin hơi là thuyền buồm “Turbinia”, được đóng ở Anh năm 1896, đưa vào khai thác năm 1897, tốc độ đạt đến 34,5 HL/h

Hiện nay các chiến hạm lớn đều trang bị tuabin hơi như: tàu sân bay, tuần dương hạm [dài từ (162243) m, tốc độ 30 HL/h], khu trục hạm [(126136) m, 30 HL/h, (200300) thủy thủ]

4- Tàu động cơ đốt trong (chủ yếu là động cơ điêden)

Động cơ đốt trong được Lenoir (Pháp) chế tạo năm 1860, chạy bằng nhiên liệu khí Đó

là động cơ hai kỳ không có quá trình nén

Năm 1877, động cơ đốt trong 4 kỳ ra đời (do Ôttô và Lăngghen chế tạo, chạy bằng nhiên liệu khí) Năm 1885, Đămle (Áo) chế tạo thành công động cơ đốt trong chạy bằng

Năm 1927, tuabin khí chu trình đẳng tích được chế tạo đạt hiệu suất 13%

Năm 1940, tuabin khí làm việc tin cậy đầu tiên có công suất 4.000 kW, hiệu suất 18% Năm 1948, lần đầu tiên người ta trang bị tuabin khí trên tàu thủy

Năm 1958, tàu tuabin khí – pittông tự do đầu tiên ra đời (Pháp)

6- Tàu nguyên tử

Năm 1954, tàu ngầm nguyên tử Nautilus (USA) được đưa vào sử dụng

Tàu phá băng Lênin (USSR) được hạ thủy năm 1957

Tàu sân bay nguyên tử đầu tiên (USA) được đưa vào sử dụng năm 1961

Tàu hàng nguyên tử đầu tiên là tàu NS Savannah (Đức) dài 182 m, các tuabin hơi dùng năng lượng hạt nhân (1962)

Ngoài ra, còn có tàu năng lượng mặt trời, tàu điện siêu dẫn, tàu năng lượng pin nhiên liệu, tàu năng lượng ion Về thiết bị đẩy, chân vịt được sử dụng lần đầu tiên năm 1844

1.2- CÔNG DỤNG, THÀNH PHẦN VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG TÀU THỦY

2- Thành phần của TBNL tàu

Thiết bị năng lượng tàu thủy bao gồm:

- Thiết bị năng lượng chính, hay còn gọi là thiết bị động lực tàu, có nhiệm vụ cung cấp năng lượng để làm hoạt động thiết bị đẩy Nó gồm có các động cơ chính, các máy móc thiết

bị phụ và hệ thống phục vụ chúng, hệ trục và bộ truyền

- Thiết bị năng lượng phụ có nhiệm vụ biến đổi và sử dụng các dạng năng lượng đã nêu trên để đảm bảo sự hoạt động bình thường của các TBNL chính và các máy móc khác Nó

3

bao gồm các động cơ phụ, các nồi hơi phụ và trạm ắc qui, các máy móc phụ, các thiết bị và

hệ thống phục vụ chúng

- Các máy móc và thiết bị của hệ thống chung toàn tàu

- Các hệ thống điều khiển, kiểm tra và bảo vệ tự động từ xa của TBNL chính và TBNL phụ, các máy móc và thiết bị của hệ thống chung toàn tàu

3- Phân loại TBNL tàu

TBNL chính có thể được phân loại theo các dấu hiệu chủ yếu sau:

+ Theo loại nhiên liệu sử dụng: Thiết bị sử dụng nhiên liệu hữu cơ và hạt nhân

+ Theo môi chất công tác: Thiết bị năng lượng hơi nước và thiết bị năng lượng khí + Theo kiểu động cơ chính:

- Các thiết bị sử dụng động cơ đốt trong kiểu pittông và máy hơi nước kiểu pittông;

- Các thiết bị sử dụng động cơ tuabin: tuabin khí và tuabin hơi, loại hỗn hợp gồm tuabin khí với máy sinh khí kiểu pittông tự do và tuabin hơi - khí

+ Theo chu trình công tác: Chu trình kín (hơi nước), chu trình hở (khí cháy)

+ Theo kiểu truyền động chính:

Đó là các thiết bị với các bộ truyền cơ khí, thủy lực, điện và phối hợp

Thành phần và mối quan hệ giữa các phần tử của TBNL tàu được thể hiện trên hình 1.1

1.3- CÁC DẠNG THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG TÀU THỦY HIỆN ĐẠI

1.3.1- THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG ĐIÊDEN

1- Đặc điểm của TBNL điêden

Thiết bị năng lượng điêden là loại TBNL sử dụng động cơ điêden làm máy chính cho tàu Đó là động cơ đốt cháy nhiên liệu trong xilanh theo nguyên lý tự bốc cháy nhờ sự nén hỗn hợp nhiên liệu – không khí đến áp suất và nhiệt độ nhất định Trong TBNL điêden, các

động cơ phụ thường cũng là các động cơ điêden

Thiết bị điêden có các đặc điểm sau:

+ Lực quán tính của động cơ điêden có tính chu kỳ

+ Hoạt động sinh công có tính chu kỳ và động cơ quay không đều

+ Phải có cơ cấu phân phối khí mới đảm bảo tính chu kỳ của quá trình nạp, xả

+ Một số chi tiết phải làm việc trong vùng nhiệt độ cao và ma sát lớn

+ Các chi tiết chịu tải có tính chu kỳ

+ Chiều quay của trục khuỷu không ảnh hưởng đến qui luật chuyển động của pittông;

+ Sản phẩm cháy của nhiên liệu với không khí được hình thành ngay trong buồng cháy

của động cơ Hiệu suất cao, thiết bị đơn giản;

+ Áp suất và nhiệt độ tức thời trong xilanh rất cao, do vậy tuổi thọ của động cơ thấp;

TRUYỀN ĐỘNG VÀ HỆ TRỤC

THIẾT BỊ ĐIỆN HÀNG HẢI

THÔNG TIN LIÊN LẠC

NHU CẦU SINH HOẠT

6

+ Phải có thiết bị khởi động và đảo chiều quay phức tạp;

+ Nhiệt độ khí xả cao, mang theo nhiều nhiệt năng ra ngoài (cho dù có giải quyết tận dụng nhiệt nhưng phần nhiệt lượng thải ra ngoài vẫn còn lớn);

+ Khi động cơ làm việc theo đặc tính bộ phận thì quá trình cháy diễn ra không tốt lắm,

suất tiêu hao nhiên liệu tăng, động cơ làm việc không ổn định

Ngày nay, trên các phương tiện thủy, TBNL điêden thường chiếm (9597)% số lượng các tàu đóng mới hàng năm Dù rằng, TBNL tuabin khí ngày càng chiếm ưu thế trên các tàu

cỡ lớn, nhưng trong tương lai, người ta dự đoán rằng TBNL điêden sẽ là loại TBNL chủ yếu của tàu sông, tàu biển cỡ nhỏ và tàu pha sông biển vì rằng chúng có các ưu điểm hơn hẳn so với các loại TBNL khác

2- Phân loại TBNL điêden tàu thủy

Phân loại thống nhất và chấp nhận chung của nhà máy điện tàu không tồn tại vì sự đa dạng rất lớn của các nhà máy điện tàu Thông thường, các TBNL chính được phân loại theo các dấu hiệu cơ bản sau đây

a) Theo kiểu động cơ chính

1/- Cùng loại, trong thành phần của nó chỉ có động cơ điêden Các thiết bị điêden được phân loại, lần lượt, theo kiểu động cơ chính - với một tốc độ quay thấp, tốc độ quay trung bình, điêden tốc độ quay cao hoặc rất cao

2/- Kết hợp, được lắp đặt trên một số tàu có công dụng đặc biệt Sử dụng rộng rãi nhất

là thiết bị điêden - tuabin khí, trong đó các động cơ điêden chính đảm bảo chế độ hành trình thấp và trung bình, còn tuabin khí chạy nhanh – chế độ hành trình toàn phần Đúng ra, trong

số các thiết bị phối hợp còn bao gồm cả thiết bị điêden-điện

b) Theo kiểu truyền công suất đến thiết bị đẩy

1/ Thiết bị điêden với bộ truyền trực tiếp (gián tiếp) công suất động cơ điêden chính đến chân vịt

2/ Thiết bị điêden với sự biến đổi năng lượng hoặc mômen xoắn của điêden chính, mà

có thể biểu hiện sự thay đổi chiều của mômen (chiều quay), sự thay đổi mômen xoắn phụ thuộc vào tốc độ quay (chuyển đổi) và tổng (hay phân phối) công suất của động cơ chính Thiết bị điêden với sự biến đổi mô-men xoắn được phân ra theo kiểu truyền động chính như sau:

a/ Thiết bị điêden với bộ truyền giảm tốc (động cơ điêden-thiết bị giảm tốc);

b/ Thiết bị điêden với bộ truyền giảm tốc đảo chiều (thiết bị công suất nhỏ);

c/ Thiết bị điêden với bộ truyền thủy lực: 1) với khớp nối thủy lực và biến tốc thủy lực; 2) với bơm thủy lực, do động cơ điêden lai và động cơ thủy lực truyền công suất đến chân vịt; 3) với bơm thủy lực, do động cơ điêden lai và động cơ thủy lực và thiết bị đẩy kiểu phụt nước;

d/ Thiết bị điêden với bộ truyền động điện (điêden-thiết bị điện) với các máy phát

7

điện điêden chính và động cơ lai chân vịt;

e/ Thiết bị điêden với bộ truyền phối hợp (hỗn hợp), chẳng hạn như hộp số và động

cơ diesel-truyền động điện (bộ truyền giảm tốc giữa động cơ điện và thiết bị đẩy), hộp số cơ khí và thủy lực

d) Theo số lượng động cơ chính làm việc trên một trục

1/- Thiết bị điêden một động cơ

2/- Thiết bị điêden nhiều động cơ, trong đó có việc lắp đặt hai động cơ được sử dụng rộng rãi nhất, ít khi gặp tổ hợp 3 hoặc 4 động cơ điêden – hộp giảm tốc

e) Theo kiểu thiết bị đẩy

1/ Thiết bị điêden với chân vịt định bước

2/ Thiết bị điêden với chân vịt biến bước

3/ Thiết bị điêden với các chân vịt đồng trục quay ngược chiều

4/ Thiết bị điêden với thiết bị đẩy kiểu cánh

5 Thiết bị điêden với thiết bị đẩy phụt nước

g) Theo phương pháp đảm bảo sự đảo chiều của tàu

1/- Thiết bị điêden với động cơ điêden chính đảo chiều

2/- Thiết bị điêden với động cơ điêden chính không đảo chiều có hộp số đảo chiều hoặc

ly hợp đảo chiều

3/- Thiết bị điêden với động cơ điêden chính không đảo chiều và việc đảm bảo hành trình lùi nhờ chân vịt biến bước

h) Theo mức độ tự động hóa, phương pháp điều khiển và bảo trì

1/ Thiết bị điêden không tự động hóa và tự động hóa từng phần với trạm điều khiển tại chỗ và theo dõi liên tục trong buồng máy

2/ Thiết bị điêden tự động hóa với thiết bị điều khiển tự động từ xa (DAU), theo dõi liên tục ở trạm điều khiển tập trung và bảo dưỡng định kỳ trong buồng máy (tự động hóa cấp A2 theo "Quy phạm của Liên bang Nga")

3/ Thiết bị điêden tự động hóa với thiết bị điều khiển tự động từ xa (DAU), không theo dõi liên tục ở trạm điều khiển tập trung và buồng máy và với việc bảo dưỡng định kỳ (tự động hóa cấp A1)

8

i) Theo phương pháp kẹp chặt động cơ điêden chính vào thân tàu

1/- Thiết bị điêden với điêden chính và bộ truyền được kẹp chặt trên bệ của tàu

2/- Thiết bị điêden với điêden chính được giảm chấn và các tổ hợp thiết bị khác

k) Theo phương pháp đảm bảo điện năng cho tàu

1/ Thiết bị điêden với các máy phát điện điêden độc lập

2/ Thiết bị điêden với các máy phát điện đồng trục và máy phát điện điêden độc lập 3/ Thiết bị điêden với các máy phát điện tuabin tận dụng nhiệt và máy phát điện điêden độc lập

4/ Thiết bị điêden với một hệ thống điện năng chung Thiết bị với hệ thống điện năng chung, trong đó TBNL chính được sử dụng để làm cho tàu chuyển động cũng như để cung cấp điện năng cho tàu, được áp dụng cho các tàu chạy bằng điện

Trên các tàu vận tải biển, phổ biến hơn cả là thiết bị điêden một trục với tốc độ quay thấp và truyền động trực tiếp đến chân vịt

3- Ưu nhược điểm của TBNL điêden

- Có dải công suất rộng và có khả năng tạo được tổ hợp công suất ở phạm vi lớn;

- Động cơ điêden dễ cường hoá và tăng công suất nhờ việc áp dụng tăng áp;

- Tính kinh tế tương đối cao (đối với thiết bị có tận dụng nhiệt thải từ động cơ);

- Có thể sử dụng các kiểu truyền động khác nhau;

- Tương đối đơn giản trong việc tự động hóa điều khiển;

- Động cơ có thể tự đảo chiều quay khi cần đối chiều chuyển động của tàu;

- Giá thành thấp;

- Độ ồn thấp, kích thước và khối lượng tương đối nhỏ

Nhược điểm cơ bản thuộc về bản chất của TBNL điêden là cơ cấu truyền lực kiểu tay quay

– thanh truyền được sử dụng trong động cơ điêden sử dụng nên gây ra rung động động cơ và thân tàu (lực tác dụng, mômen quay của đong cơ không đều); Sự thay đổi phương, chiều, trị

số lực tiếp tuyến (vuông góc với tay quay), tốc độ góc của động cơ gây ra dao động xoắn trục

Trên các tàu cỡ vừa và cỡ nhỏ, người ta sử dụng các động cơ điêden 4 kỳ tăng áp và không tăng áp, loại trung tốc đảo chiều và không đảo chiều và loại có tốc độ quay cao, không đảo chiều làm động cơ chính Công suất nhỏ nhất của động cơ chính là 4 kW và công suất cực đại của tổ hợp động cơ chính đạt đến 2.200 kW

Các động cơ thủy có tốc độ quay thấp [n(100170) v/ph] loại 2 kỳ tác dụng đơn có con trượt được dùng phổ biến trên các tàu giao thông cỡ lớn Chúng chiếm 75% công suất thiết bị của TBNL mới Loại lớn nhất có công suất tổ hợp đạt đến 26.480 kW Sở dĩ các động cơ này được dùng phổ biến trên các tàu giao thông vì chúng có các ưu thế sau:

+ Tính kinh tế nhiệt cao và có khả năng làm việc với nhiên liệu nặng (rẻ tiền);

+ Có khả năng truyền công suất trực tiếp đến chân vịt;

+ Tuổi thọ cao

9

Trên các tàu cỡ nhỏ, tàu kéo, phà, tàu chuyên dùng, người ta trang bị các động cơ điêden

4 kỳ trung và cao tốc làm máy chính

Các động cơ điêden 4 kỳ cao tốc không tăng áp và tăng áp, công suất nhỏ được sử dụng làm động cơ phụ tàu thủy

Trong TBNL điêden, người ta áp dụng các kiểu truyền động chính: cơ khí, thủy lực, điện

và phối hợp

Kiểu truyền động phụ thuộc vào kết cấu của động cơ điêden, tốc độ quay của trục, kiểu loại và công dụng tàu Thông thường, người ta sử dụng các kiểu truyền động thủy lực và truyền động điện trong các trường hợp đòi hỏi tính cơ động của TBNL tàu cao, động cơ chính sản ra công suất toàn phần ở các chế độ gần với chế độ buộc tàu hoặc khi cần nhận tốc

độ quay tối ưu của chân vịt ở chế độ hành trình

Hình 1.2- Dạng chung của TBNL điêden

1.3.2- THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG TUABIN HƠI

1- Đặc điểm thiết bị năng lượng tuabin hơi

TBNL tuabin hơi là TBNL sử dụng động cơ chính là tuabin hơi (là loại động cơ nhiệt đốt ngoài kiểu rôto)

Ở thiết bị năng lượng tuabin hơi, môi chất công tác tuần hoàn không ngừng theo vòng kín, trong đó, diễn ra sự thay đổi trạng thái của môi chất công tác (nước nhận nhiệt, biến thành hơi nước tại nồi hơi; hơi nước trao nhiệt để biến thành công tại tuabin hơi; hơi nước tiếp tục thải nhiệt để biến thành nước tại bình ngưng; nước được cấp trở lại nồi hơi nhờ bơm cấp)

Ngoài những đặc điểm chung của thiết bị tuabin như được giới thiệu ở động cơ tuabin khí, thiết bị tuabin hơi có các đặc điểm riêng sau:

+ Môi chất công tác là hơi nước nên trong thành phần của thiết bị có nồi hơi, thiết bị ngưng tụ;

+ Nhiệt độ của chu trình thấp, do đó hiệu suất nhiệt thấp Có nhiều tổn thất nhiệt ở nồi hơi và ống dẫn hơi cùng các tổn thất khác;

+ Muốn tận dụng nhiệt được tốt cần có thiết bị ngưng tụ;

+ Sự trao đổi nhiệt giữa khí lò và nước cùng với hơi nước bị hạn chế bởi ứng suất nhiệt xuất hiện ở vật liệu dùng làm mặt hấp nhiệt (nhiệt độ giới hạn của hơi nước là 5000C và của khí lò là 1 3000C);

+ Thời gian chuẩn bị khởi động thiết bị dài, do đó tính cơ động của tàu thấp

2- Sơ đồ nguyên lý thiết bị năng lượng tuabin hơi

Sơ đồ nguyên lý thiết bị năng lượng tuabin hơi đơn giản được thể hiện trên hình 1.3

Ở thiết bị này, nhiệt năng tỏa ra từ sự đốt cháy nhiên liệu được cung cấp cho nồi hơi 4 Nước trong nồi hơi nhận nhiệt này biến thành hơi bão hòa, rồi thành hơi quá nhiệt trong bộ sấy hơi Hơi quá nhiệt được đưa đến tuabin hơi 3 qua hệ thống miệng phun Tại miệng phun, hơi tiến hành giãn nở, biến một phần thế năng thành động năng rồi được đưa vào dãy cánh công tác của tuabin để biến động năng thành cơ năng, làm quay trục tuabin Công suất do tuabin sản ra được truyền qua hộp số 2 và hệ trục, đến chân vịt 1 Hơi nước sau khi ra khỏi tuabin 3 được đưa đến thiết bị ngưng tụ 6 để biến thành nước, rồi được bơm cấp 5 cấp trở lại nồi hơi 4, hoàn thành chu trình công tác

3- Các bộ phận hợp thành của TBNL tuabin hơi

Thiết bị tuabin hơi bao gồm nồi hơi, tuabin hơi, thiết bị ngưng tụ, bơm cấp và các thiết bị phụ khác Đó là thiết bị động lực hơi nước và việc nghiên cứu nó được bắt đầu từ chu trình nhiệt

(1)- Nồi hơi

Nồi hơi là thiết bị dùng để sản xuất ra hơi nước có các thông số nhất định dùng cho động

cơ hơi nước, sản xuất và nhu cầu sinh hoạt của con người

11

Nguyên lý chung là nhiên liệu trong buồng lửa (buồng đốt) được đốt cháy, tạo ra khí lò

có nhiệt độ cao và truyền nhiệt cho các mặt hấp nhiệt của nồi hơi Nước trong nồi hơi nhận nhiệt từ đây, nâng cao nhiệt độ, sôi và biến thành hơi nước bão hoà rồi thành hơi quá nhiệt (theo yêu cầu), sau đó, được cấp cho các hộ tiêu dùng (xem hình 1.4)

Nồi hơi tàu thủy được dùng để cung cấp hơi nước cho các máy động lực (máy hơi nước

và tuabin hơi), cấp cho nhu cầu sưởi ấm, sấy nóng Nó được sử dụng rộng rãi trên các tàu thủy cỡ lớn với chức năng là nồi hơi chính hay phụ để phục vụ cho các thiết bị động lực, sản xuất hay sinh hoạt trên tàu

(2)- Tuabin hơi

Tuabin hơi là loại động cơ nhiệt kiểu rôto, môi chất công tác là hơi nước, trong đó năng lượng nhiệt của hơi hoặc khí ở dạng thế năng (áp năng) được biến thành động năng, rồi thành cơ năng làm quay trục tuabin

Hình 1.4- Cấu tạo nồi hơi

a) Cấu tạo; b) Hình dạng chung

Sự biến đổi thế năng thành động năng có thể diễn ra trên cả phần cố định và phần quay (chuyển động) của tuabin hoặc là sự biến đổi thế năng thành động năng chỉ xảy ra ở phần cố định, còn động năng biến thành cơ năng trên phần quay Chính vì thế nên tuabin hơi có 2 loại: tuabin xung kích (xung lực) và tuabin phản kích (phản lực)

Bình ngưng trong TBNL tuabin hơi thường là kiểu ống chùm nằm ngang (nước tải nhiệt

đi bên trong ống)

(4)- Bơm cấp

Bơm cấp nồi được dùng trong TBNL tuabin hơi thường là bơm ly tâm có cột áp cao (xem hình 1.6)

a) Cấu tạo tuabin hơi b) Tổ hợp tuabin hơi

4- Các thông số cơ bản của tuabin hơi

Các thông số cơ bản của tuabin hơi gồm có tốc độ quay, công suất, suất tiêu hao hơi và hiệu suất

Suất tiêu hao hơi (chi phí hơi riêng) được tính theo công thức:

b)

a)

13

De =

e a

h 

632, kg/MLh hoặc De =

e

N

G 3600

Trong đó: h a - nhiệt giáng giãn nở đoạn nhiệt, kcal/kg;

e - hiệu suất có ích của tuabin;

N e - công suất có ích (trên bích của trục chân vịt), ML

Theo đó, công suất có ích đƣợc tính theo công thức:

Ne =

632

3600 h a e

= 5,69.G.ha.e , ML (1.2) Nếu đợn vị đo công suất là kW thì công suất và suất tiêu hao hơi của tuabin đƣợc tính theo các công thức:

De =

e a

h 

859 , kg/kWh và Ne = 4,19.G.ha.e , kW (1.3)

Hình 1.6- Cấu tạo bơm ly tâm

a), b) Bơm có trục độc lập;

c) Bơm được lắp trên trục động cơ điện

Hiệu suất có ích của toàn thiết bị tuabin hơi:

ethb = N.e = N.t.oit.ng (1.4)

Trong đó: N - hiệu suất của nồi hơi, N = (0,93  0,96);

t - hiệu suất nhiệt của tuabin,

- t = (0,36  0,38) khi tuabin làm việc với hơi có thông số trung bình;

- t = (0,42  0,44) đối với tuabin làm việc với hơi có thông số cao có hoàn nhiệt và quá nhiệt trung gian

c)

14

Thông thường ethb = (0,26  0,28), cá biệt có thể đạt được ethb = (0,32  0,34)

5- Đặc tính của tuabin hơi

Đặc tính tải – tốc độ của tuabin ở các mức chi phí hơi khác nhau được thể hiện trên hình 1.7 Sự phụ thuộc Ne = f(n) đối với tuabin ở mức chi phí hơi D có dạng gần như đường parabol bậc hai, xuất phát từ gốc toạ độ và có điểm cực đại khi n = ne, nếu độ chênh nhiệt có được khi thay đổi tốc độ quay được coi như không đổi Mômen xoắn và công suất do tuabin sản ra ở tốc độ quay không đổi tỷ lệ với chi phí hơi trên giây Khả năng tuabin gia tăng mômen cùng với sự giảm tốc độ quay đảm bảo cho nó có được chất lượng cơ động cao Tốc độ quay của tuabin khi vận hành không được vượt quá (10†15)% so với tốc độ quay tính toán định mức Điều này được đảm bảo bởi bộ điều chỉnh tốc độ và thiết bị khoá nhanh

tự động tác động, ngừng sự cấp hơi đến tuabin, chỉ khi tốc độ quay đạt đến giá trị giới hạn Trong các trường hợp đặc biệt, cần đảm bảo tính kinh tế cao của thiết bị tuabin hơi chính

ở chế độ công suất toàn phần ứng với tốc độ tàu toàn phần, cũng như ở chế độ công suất nhỏ trong giai đoạn chuyển tiếp [(20†25)% công suất định mức và nhỏ hơn], người ta trang bị thiết bị “cấp hành trình nhỏ”, được bố trí ở trong phần thân chính của tuabin hoặc được gắn vào thân riêng, tạo nên hành trình kinh tế cho tuabin Nó chỉ làm việc ở hành trình thấp và không tải khi chạy hành trình hoặc được tách khỏi thiết bị bởi khớp nối tách được

6- Ưu nhược điểm của TBNL tuabin hơi

a)- Ưu điểm

- Công suất lớn, có thể đạt trên 100.000 mã lực

- Có hiệu suất e tăng theo công suất Ne (Động cơ càng lớn thì tính kinh tế càng cao);

- Sử dụng được nhiều loại nhiên liệu rẻ tiền: than đá, dầu nặng, ;

- Có thể tận dụng được nhiệt khí xả của động cơ điêden (sử dụng nồi hơi tận dụng)

15

- Tính cơ động thấp (không thể thay đổi nhanh chế độ làm việc, thời gian khởi động lâu, tuabin không tự đảo chiều);

- Hiệu suất thấp [e = (0,170,23)], tính kinh tế thấp ở các động cơ cỡ nhỏ;

- Sơ đồ nguyên lý phức tạp, các thiết bị phân tán với nhiều đường ống cao áp ở nhiệt độ cao;

- Giá thành chế tạo cao;

- Nhân viên vận hành đòi hỏi số lượng lớn

TBNL tuabin hơi được sử dụng trên các tàu hơi nước cỡ lớn của hạm tàu biển công suất trên 20.000 kW Nó cho phép tạo ra công suất chung trên trục chân vịt của tàu đến 220.103

kW và lớn hơn nữa

Có thể nâng cao tính kinh tế của TBNL tuabin hơi bằng cách:

- Sử dụng các loại nhiên liệu rẻ tiền;

- Cải thiện thông số hơi ban đầu và thay đổi tương ứng sơ đồ động và kết cấu các thành phần của thiết bị tuabin hơi;

- Hoàn thiện sơ đồ nhiệt, gia tăng hiệu quả bộ sấy nước cấp kiểu hoàn nhiệt;

- Giảm bớt tổn thất nhiệt do nước ngoài mạn mang đi, hạn chế sự rò rỉ nước và hơi nước;

- Nâng cao hiệu suất các phần tử riêng của thiết bị tuabin hơi

Tính kinh tế của thiết bị tuabin hơi tỉ lệ thuận với công suất của tổ hợp thiết bị

7- Các hệ thống của TBNL tuabin hơi

(1)- Hệ thống cấp – ngưng tụ

Hệ thống ngưng tụ – cấp được dùng để tiếp nhận nước ngưng từ bình ngưng chính và phụ và đảm bảo việc cấp nước vào nồi hơi Chúng là một trong những bộ phận chủ yếu của

sơ đồ nhiệt của thiết bị, nối liền giữa bình ngưng chính với nồi hơi

Trên các tàu hiện đại, người ta dùng hệ thống cấp nước kín và đảm bảo việc khử khí cho

nó Nước cấp cho nồi hơi nhận được từ các bình ngưng chính và phụ Mức hao hụt của nước trong hệ thống ngưng tụ – cấp được bổ sung bằng nước ngọt nhận từ bờ hoặc nước chưng cất từ nước biển bằng cách tận dụng nhiệt

Tổ hợp thiết bị tuabin – truyền động bánh răng chính và dẫn động tuabin - hộp giảm tốc phụ có hệ thống bôi trơn tuần hoàn cưỡng bức đảm bảo việc bôi trơn tin cậy trước lúc khởi động, trong thời gian làm việc và sau khi dừng máy Người ta chia thành hệ thống bôi trơn

tự chảy và bôi trơn tuần hoàn có áp Trong hệ thống bôi trơn tự chảy, áp suất dầu cần thiết được tạo ra nhờ thế năng do két đặt trên cao (két thế năng) Trong hệ thống có áp, áp suất dầu cần thiết được tạo ra bằng bơm dầu trực tiếp, chuyển dầu từ các két góp dầu Khác với các hệ thống có áp, trong hệ thống tự chảy, các bơm dầu chuyển dầu từ két góp đến két thế

và đối với tổ hợp tuabin chính trên các tàu hạng nhẹ

Các hộ tiêu thụ dầu trong hệ thống bôi trơn tổ hợp tuabin chính là:

- Các gối đỡ của tuabin và hộp giảm tốc chính, vòi phun hệ làm mát và bôi trơn các hộp giảm tốc kiểu bánh răng;

- Các gối đỡ và bộ truyền bánh răng của các máy móc phụ gắn trên tổ hợp tuabin chính;

từ điều kiện tốc độ nhiên liệu trong ống từ (1†1,5) m/s và thời gian tiếp nhận từ (4†6) giờ

Để chuyển nhiên liệu từ két này sang két khác, người ta trang bị các bơm chuyển Trong

hệ thống người ta còn trang bị các bộ phận để làm sạch, sấy nóng, …

(5)- Hệ thống cấp không khí cho nồi hơi

Việc đốt cháy nhiên liệu xảy ra trong điều kiện cấp nhiên liệu liên tục vào vùng cháy ứng với lượng không khí cần thiết và thải khí cháy ra ngoài Việc khắc phục sức cản thủy lực của đường ống dẫn không khí và khí xả trong các nồi hơi tàu thủy hiện đại được thực hiện nhờ các quạt gió đẩy không khí liên tục vào nồi hơi theo đường ống dẫn không khí đặc biệt Để khắc phục sự lọt khí cháy (khói) trong buồng nồi hơi, các nồi hơi có vỏ bọc hai lớp; lúc này quạt thông gió đẩy không khí vào buồng đốt qua đường dẫn được tạo nên bởi thành bên trong và bên ngoài của vỏ bọc Phương pháp cấp không khí như thế đảm bảo sự lọt khí tương đối nhỏ, độ tin cậy làm việc của thiết bị nồi hơi và các điều kiện thuận tiện cho người vận hành

(7)- Hệ thống an toàn và bảo vệ tuabin

Hệ thống này được trang bị nhằm bảo đảm tính an toàn vận hành cho tổ hợp thiết bị tuabin hơi Người ta trang bị hệ thống báo sự cố và bảo vệ thiết bị theo các tham số sau:

- Sự giảm áp suất dầu bôi trơn

- Sự giảm độ chân không trong bình ngưng chính (xuống đến 550 mmHg)

- Sự tăng độ dịch dọc trục rôto tuabin quá 1 mm

- Sự tăng tốc độ quay của trục tuabin vượt quá giá trị định mức đến (1014)%

(8)- Hệ thống làm kín và hút hơi

Việc làm kín bên trong tuabin rất quan trọng Người ta sử dụng các bộ làm kín nhờ áp suất hơi theo kiểu chân không và kiểu áp suất thay đổi Do đó, để đảm bảo độ kín cần thiết, người ta trang bị hệ thống cấp hơi và hút hơi để tác động đến bộ làm kín

(9)- Hệ thống sấy nóng tuabin

Nếu khởi động tuabin từ trạng thái nguội sẽ làm cho các bộ phận của tuabin bị biến dạng, xuất hiện hiện tượng xung kích nước (do hơi nước ngưng tụ thành những giọt nước lưu động cùng với dòng hơi) làm cho tuabin bị hư hỏng Do vậy, trước khi khởi động, cần phải sấy

17

nóng tuabin đạt đến chế độ nhiệt nhất định Người ta dùng hơi bão hoà để sấy nóng tuabin trong thời gian từ (2060) phút tuỳ theo kết cấu của nó Việc sấy nóng được coi như kết thúc khi nhiệt độ trên mặt bích nằm ngang đạt đến (80100) 0C đối với tuabin cao áp và (7090)

0C đối với tuabin thấp áp

(10)- Hệ thống xả

Hệ thống xả được trang bị nhằm để xả phần nước đọng do ngưng tụ trong các khoang của tuabin Phần nước đọng này chủ yếu xuất hiện trong giai đoạn sấy nóng tuabin

(11)- Hệ thống điều chỉnh tốc độ quay và công suất

Việc thay đổi công suất của tuabin thường đi liền với sự thay đổi tốc độ quay của nó Theo công thức tính công suất Ne = 5,69.G.ha.e, ML, ta nhận thấy có thể thay đổi công suất của tuabin bằng cách thay đổi nhiệt giáng của hơi phân bố trong tuabin (ha) hoặc thay đổi lượng hơi tiêu thụ (G) Để điều chỉnh tốc độ quay của tuabin, người ta trang bị bộ điều tốc Trong thực tế có thể điều chỉnh tuabin hơi theo các cách sau:

- Thay đổi nhiệt giáng của hơi bằng cách tiết lưu (theo chất lượng)

- Thay đổi lượng hơi tiêu thụ (theo số lượng)

- Thay đổi nhiệt giáng của hơi và đồng thời thay đổi lượng hơi tiêu thụ (liên hợp)

- Điều chỉnh hỗn hợp bao gồm hai hoặc nhiều phương pháp điều chỉnh nêu trên

1.3.3- THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG TUABIN KHÍ

1- Đặc điểm của TBNL tuabin khí

Thiết bị năng lượng tuabin khí được chia thành các thiết bị chu trình hở và thiết bị chu trình kín; theo quá trình cháy có chu trình cháy đẳng tích và chu trình cháy đẳng áp(các tuabin ngày nay được chế tạo theo chu trình đẳng áp) Nhiên liệu dùng trong TBNL tuabin khí chủ yếu ở dạng lỏng, ngoài ra có thể ở dạng khí và dạng rắn (than đá)

Thiết bị năng lượng tuabin khí chu trình hở có các đặc điểm sau:

+ Quá trình sinh công ở động cơ tuabin là quá trình liên tục nên tạo ra mômen quay đều; + Môi chất công tác là sản phẩm cháy của nhiên liệu với không khí, được hình thành ngay trong buồng cháy của động cơ Nhờ đó thiết bị được đơn giản;

+ Môi chất công tác có thể đi qua tuabin nhiều nên công suất của động cơ lớn;

+ Chiều quay của động cơ được quyết định bởi hướng đi của dòng môi chất công tác trong động cơ nên theo kết cấu, động cơ chỉ quay một chiều;

+ Do được cân bằng tốt nên khi động cơ làm việc ổn định không sinh ra lực quán tính, không gây rung động;

+ Khi động cơ làm việc ở tốc độ quay thấp, tính kinh tế không cao Vì vậy, cần nâng cao tốc độ quay để nâng cao tính kinh tế và buộc phải dùng bộ giảm tốc khiến cho kết cấu trở nên cồng kềnh

Tuy nhiên, do sự hạn chế về tính bền nhiệt của vật liệu chế tạo các chi tiết nên không thể đạt được hiệu suất nhiệt cao và tuổi thọ cũng thấp

Mặc dù ra đời muộn, nhưng ngày nay tuabin được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như năng lượng, vận tải, …

2- Sơ đồ nguyên lý của TBNL tuabin khí

A- Thiết bị tuabin khí chu trình hở

18

Ở thiết bị tuabin khí chu trình hở, môi chất công tác lúc đầu là không khí và sau đó là hỗn hợp không khí với sản phẩm cháy của nhiên liệu, đi qua các khoang bên trong của các phần tử thiết bị, trao đổi năng lượng trong đó rồi được thải ra ngoài khí quyển

(1)- Chu trình thiết bị tuabin khí cháy đẳng tích

Sơ đồ nguyên lý thiết bị tuabin khí cháy đẳng tích được thể hiện trên hình 1.8

Hình 1.8- Sơ đồ nguyên lý thiết

10 Tuabin; 11 Máy nén khí

Trong thiết bị tuabin khí cháy đẳng tích, buồng cháy có trang bị van nạp ở cửa vào và van xả khí cháy ở cửa ra Khi nhiên liệu được phun vào thì 2 van này đều đóng và hỗn hợp nhiên liệu – không khí cháy trong thể tích không đổi của buồng cháy

Khi thiết bị làm việc, không khí ở áp suất và nhiệt độ khí quyển p1, T1 được máy nén 9 hút và nén đến áp suất và nhiệt độ khí quyển p2, T2 [thường từ (810) kG/cm2] và đưa đến buồng cháy Tại đây, nhiên liệu được phun vào qua vòi phun 2 trong điều kiện các van 1 và

3 đều đóng, hỗn hợp nhiên liệu – không khí bốc cháy với thể tích không đổi tạo ra khí cháy với thông số p3, T3, rồi van xả 3 được mở ra để cấp cho tuabin khí Sau đó, van nạp 1 mở và van xả 3 đóng để nạp không khí vào buồng cháy chuẩn bị cho quá trình làm việc tiếp theo Trong tuabin, khí cháy hoàn thành việc biến đổi năng lượng (biến một phần nhiệt năng thành

cơ năng làm quay tuabin), sau đó được thải ra ngoài với thông số p4, T4

Công suất do tuabin sản ra được dùng một phần lớn để lai máy nén, một phần nhỏ để lai thiết bị phục vụ và phần còn lại cung cấp cho máy công tác

(2)- Chu trình thiết bị tuabin khí cháy đẳng áp

Sơ đồ nguyên lý thiết bị tuabin khí cháy đẳng áp được thể hiện trên hình 1.9

Khi thiết bị làm việc, không khí ở áp suất và nhiệt độ khí quyển p1, T1 được máy nén 5 hút và nén đến áp suất và nhiệt độ khí quyển p2, T2 [thường từ (810) kG/cm2] và đưa đến buồng cháy 9 Tại đây, không khí nén được tách làm 2 luồng, một phần không khí nén [(3040)%] hoà trộn với nhiên liệu do vòi phun 8 cung cấp và bốc cháy, tạo ra khí cháy có

áp suất và nhiệt độ cao (cao hơn 1.000 0

C) p3, T3, phần không khí nén còn lại được dùng để hoà trộn với khí cháy nhằm hạ thấp nhiệt độ khí cháy (1.000 0C ) để đảm bảo độ bền nhiệt của các chi tiết trong tuabin Chính vì vậy, hệ số dư lượng không khí ở thiết bị tuabin khí cháy đẳng áp lớn:  = (3,84,5) [khi  = (1,051,6) thì nhiệt độ khí cháy đạt đến (1.8002.500) 0C ] Sản phẩm cháy với thông số này được đưa vào tuabin 11, tại đây khí cháy giãn nở và sinh công Kết quả tạo được công suất tuabin NT, sau khi hoàn thành sự biến đổi năng lượng, khí cháy được thải ra ngoài với thông số p4, T4

19

Hình 1.9- Sơ đồ nguyên lý TBNL tuabin khí cháy đẳng

B- Thiết bị tuabin khí chu trình kín

Ở TBNL tuabin khí chu trình kín (Hình 1.10) chỉ có một môi chất công tác Chúng hoạt

động theo chu trình kín, cách ly với khí quyển

b)

a)

20

Hình 1.10- Sơ đồ nguyên lý TBNL tuabin khí chu trình kín

1.Chân vịt; 2 Hộp số; 3 Tuabin khí; 4 Thiết bị nung; 5 Máy nén khí; 6 Thiết bị làm mát

Môi chất công tác (có thể là không khí hay một khí trơ nào đó) được máy nén 5 nén và đưa đến thiết bị nung 4 để nâng nhiệt độ của nó lên đến khoảng chừng ( 650  750 )0C với áp suất không đổi, rồi được đưa vào tuabin 3 Tại tuabin, môi chất công tác tiến hành giãn nở sinh công, áp suất giảm đến gần với giá trị áp suất trước máy nén Sau đó, môi chất công tác được làm mát trong thiết bị làm mát 6, nhờ nước ngoài mạn, đến nhiệt độ ban đầu của chu trình Công suất do tuabin sản ra được dùng một phần để lai máy nén, thiết bị phụ và phần còn lại được truyền đến chân vịt qua hộp số 2 và hệ trục

có tốc độ quay rất lớn

Máy nén dùng trong thiết bị tuabin khí cần thoả mãn các yêu cầu sau:

- Hiệu suất cao

- Độ nén (tỷ số tăng áp) ở từng cấp nén cao

- Có thể làm việc ở tốc độ quay lớn

- Độ sử dụng vật liệu và không gian cao

- Làm việc ổn định trong phạm vi tải và tốc độ của thiết bị tuabin

- Việc điều khiển dễ dàng

21

Máy nén ly tâm (Xem hình 1.11) làm việc theo nguyên lý ly tâm, nó có cấu tạo đơn giản, hoạt động tin cậy, có thể làm việc ở tốc độ quay cao Nhược điểm của nó là rôto khó chế tạo

và đắt tiền, công suất giới hạn nhỏ Máy nén ly tâm được dùng trong thiết bị tuabin khí có công suất đến (300400) kW

Máy nén hướng trục (Xem hình 1.12) thực hiện sự nén theo nguyên tắc biến động năng thành áp năng trong các dãy cánh công tác và cánh hướng Do tỷ số nén của mỗi tầng cánh nhỏ hơn so với máy nén ly tâm nên máy nén hướng trục được dùng cho thiết bị tuabin khí là loại máy nén hướng trục nhiều cấp (ở máy nén hướng trục không thể áp dụng làm mát trung gian cho không khí nén)

Ưu điểm của máy nén hướng trục là công suất giới hạn lớn, hiệu suất cao Nó có nhược điểm lớn là kích thước và khối lượng lớn, giá thành cao

(2)- Buồng cháy

Buồng cháy là nơi nhiên liệu được phun vào hoà trộn đều với không khí nóng và tự bốc cháy Buồng cháy cần có kết cấu tạo xoáy để tạo điều kiện cho sự hình thành hỗn hợp nhiên liệu – không khí được tốt Để sự cháy đạt hiệu quả cao, cần sử dụng hệ số dư lượng không khí  = (1,32,2) Ngoài ra, để đảm bảo nhiệt độ sản phẩm cháy không quá cao, kết cấu buồng cháy còn phải có lối dẫn không khí nén bọc ngoài đến hoà trộn với sản phẩm cháy sau khi ra khỏi khu vực cháy

Buồng cháy của tuabin khí có các loại: buồng cháy hình trụ đơn, buồng cháy ghép (được ghép từ nhiều hình trụ đơn), buồng cháy hình vành khăn

(3)- Tuabin khí

Tuabin khí là một loại động cơ nhiệt (có thể gọi là động cơ đốt trong) kiểu rôto, trong đó hoá năng của nhiên liệu (chủ yếu là nhiên liệu lỏng) được biến đổi thành cơ năng nhờ thiết bị quay (rôto) có cánh

Khác với TBNL tuabin hơi, trong TBNL tuabin khí không có nồi hơi, bộ khử khí, bình ngưng tụ và một số bộ phận khác nên TBNL tuabin khí có kích thước và khối lượng nhỏ,

trong khi công suất tổ hợp lớn

Kết cấu của tuabin khí đơn giản hơn một ít so với tuabin hơi (số tầng áp lực ít hơn), không có van điều chỉnh Việc điều chỉnh công suất được thực hiện bằng cách thay đổi lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt

22

Tuabin làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao nên cần được làm mát Người ta dùng không khí để làm mát cho tuabin

Hình1.13- Buồng cháy và các tầng cánh của tuabin khí

4- Ưu nhược điểm của TBNL tuabin khí

So với các kiểu TBNL khác, TBNL tuabin khí có các ưu điểm sau:

- Công suất tổ hợp thiết bị lớn;

- Nguyên lý làm việc đơn giản, độ tin cậy cao (nhờ nguyên tắc tác động quay và sự đơn giản của sơ đồ động);

- Vận hành thuận tiện, đơn giản trong việc bảo dưỡng, có khả năng khởi động nhanh và tính năng tăng tốc cao;

- Chi phí vận hành thấp;

- Hiệu suất tương đối lớn [ = (0,320.34)];

- Kích thước và khối lượng nhỏ, diện tích chiếm chỗ và thể tích buồng máy nhỏ;

- Có khả năng nghiên cứu hoàn thiện chu trình nhiệt và kết cấu nhằm nâng cao hiệu suất

và giảm chi phí nhiên liệu;

- Thích nghi tốt với việc tự động hóa và điều khiển từ xa do đơn giản được việc khởi động và điều khiển

Các thiết bị tuabin khí tàu thủy sử dụng nhiên liệu hữu cơ thuộc các thiết bị chu trình hở Thiết bị tuabin khí chu trình kín được dùng với TBNL nguyên tử

Việc đảo chiều ở thiết bị tuabin khí có thể được thực hiện bằng: tuabin đảo chiều có cấp hành trình lùi; tuabin hành trình lùi độc lập; bộ truyền giảm tốc đảo chiều; bộ truyền đảo chiều thủy lực và điện; chân vịt biến bước; thiết bị đẩy kiểu phụt nước với thiết bị lái đảo chiều

Nhược điểm chung của TBNL tuabin khí là:

- Công suất giới hạn nhỏ hơn so với thiết bị tuabin hơi

- Vật liệu chế tạo có giá thành cao

- Tính kinh tế tương đối thấp vì nhiệt độ ban đầu của khí cháy bị giới hạn;

- Sự phụ thuộc của độ tin cậy và tính kinh tế của thiết bị tuabin khí chu trình hở vào tác dụng ăn mòn của môi trường ngoài;

23

- Yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng nhiên liệu sử dụng trong thiết bị tuabin khí chu trình hở và chi phí cho nó lớn;

- Khó thực hiện việc đảo chiều ở các thiết bị cỡ lớn;

- Phải trang bị thiết bị thay đổi tốc độ (hộp số có kích thước lớn, cồng kềnh)

- Kích thước ống không khí và khí cháy lớn nên gây phức tạp cho việc ghép bộ thiết bị tuabin khí trên tàu

TBNL tuabin khí được sử dụng trên các tàu cánh ngầm, tàu đệm khí và tàu chuyên dùng

5- Các hệ thống của TBNL tuabin khí

(1)- Hệ thống bôi trơn

Hệ thống bôi trơn của thiết bị tuabin khí tàu vận tải có thể là loại có áp và loại trọng lực (tự chảy) Đôi khi để bôi trơn các gối đỡ và hộp giảm tốc bánh răng, người ta sử dụng hệ thống bôi trơn tự chảy, còn để bôi trơn các gối đỡ của tuabin máy nén và thiết bị điều khiển, điều chỉnh và bảo vệ, người ta dùng hệ thống bôi trơn tăng áp Thực ra, hệ thống này không khác biệt về sơ đồ nguyên lý và các phần tử hợp thành với hệ thống bôi trơn của thiết bị tuabin hơi tàu thủy

Trong thiết bị tuabin khí có máy sinh khí kiểu pittông tự do có hai hệ thống bôi trơn độc lập, một là hệ thống có áp dùng cho tổ hợp tuabin và hộp số với năng suất riêng của bơm dầu

từ (10†12) l/MLh, còn hệ thống kia dùng để làm mát cho pittông và các chi tiết chuyển động của máy sinh khí kiểu pittông tự do

(3)- Hệ thống làm mát

Hệ thống làm mát được dùng để làm mát các phần rôto và stato của tuabin khí Người ta dùng không khí và nước làm môi chất làm mát Việc làm mát bằng không khí được áp dụng rộng rãi để làm mát các đĩa tuabin, còn nước dùng để làm mát phần không chuyển động của tuabin và vỏ Chính vì vành đĩa có nhiệt độ cao hơn so với phần tâm [độ chênh nhiệt độ có thể đạt đến (350†450) 0C] nên vật liệu của đĩa phải chịu ứng suất nhiệt lớn Nhằm làm đều nhiệt độ đĩa theo hướng kính từ hai phía, người ta dùng không khí trích từ các cấp của máy nén hoặc từ bộ hoàn nhiệt để làm mát đĩa tuabin

(4)- Hệ thống điều khiển, điều chỉnh và bảo vệ

Hệ thống điều khiển, điều chỉnh và bảo vệ hợp nhất thành một tổ hợp thống nhất với hệ thống bôi trơn nhiên liệu và làm mát, tạo khả năng thực hiện việc điều khiển và điều chỉnh

24

tự động thiết bị tuabin khí từ trạm điều khiển trung tâm (tập trung) hoặc từ đài chỉ huy, còn trong trường hợp cần thiết thì có thể điều khiển thiết bị bằng tay Trong trường hợp chung hệ thống này đảm bảo:

- Khởi động thiết bị từ trạng thái nguội và nóng với sự ngắt tải chuyển về chế độ chạy không

- Chuyển đổi từ chế độ này sang chế độ khác trong khoảng thời gian đã cho

- Duy trì các thông số đã định của môi chất công tác đảm bảo phát ra công suất yêu cầu (hoặc chi phí nhiên liệu) ở tất cả các mức tải tính toán

- Bảo vệ thiết bị không bị sự cố, đảm bảo các thông số làm việc không vượt quá giá trị cho phép [nhiệt độ khí vượt quá từ (20†40) oC, tốc độ quay vượt quá giới hạn (10†12)%,

…]

- Đảo chiều thiết bị tuabin khí chính

I.3.4- THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ

Thiết bị năng lượng nguyên tử được dùng trên các tàu nguyên tử: tàu ngầm nguyên tử, tàu phá băng nguyên tử, tàu hàng nguyên tử

Ở TBNL nguyên tử, nhiên liệu được sử dụng là Uranium U235

, chính là đồng vị của U238(trong Uranium tự nhiên U238

thì hàm lượng đồng vị U235 chiếm 0,712%) Phản ứng phân rã hạt nhân (phân hạch) U235

được điều khiển xảy ra trong lò phản ứng nhờ sự bắn phá của các nơtron nhiệt và chất kìm hãm tốc độ phản ứng Nhiệt lượng do phản ứng phân hạch U235

tỏa

ra rất lớn, 1 kg U235

khi bị phân hạch tỏa ra một nhiệt lượng lớn hơn 1,5.106 lần khi đốt cháy

1 kg nhiên liệu hữu cơ Do vậy, tàu trang bị thiết bị năng lượng nguyên tử cần lượng dự trữ nhiên liệu ở mức thấp nhất, đảm bảo khả năng hoạt động độc lập lớn và vùng hoạt động không hạn chế

1- Nguyên lý của lò phản ứng hạt nhân

Lò phản ứng hạt nhân là thiết bị có thể điều khiển và kiểm soát phản ứng phân hạch để thu được năng lượng nhiệt do phản ứng phân hạch tạo ra

Cấu tạo của lò gồm các bộ phận chủ yếu sau:

1) Bộ phận cấp nhiên liệu hạt nhân để tạo ra sự phân hạch và sinh nhiệt

2) Bộ phận cung cấp chất làm chậm với chức năng làm giảm tốc độ của các nơtron sinh

ra từ phản ứng phân hạch để tạo điều kiện cho phản ứng dây chuyền xảy ra

3) Bộ phận tải nhiệt với chức năng thu nhiệt sinh ra do phân hạch hạt nhân từ tâm lò phản ứng để chuyển ra bộ phận ngoài

4) Bộ phận điều khiển để điều chỉnh quá trình phân hạch của nhiên liệu hạt nhân

Nguyên lý của lò phản ứng hạt nhân được thể hiện trên hình 1.14

Để có phản ứng dây chuyền tự duy trì, ta phải làm thế nào để có ít nhất một nơtron trong

số gần 2,5 nơtron ( = 2,5) do một phân hạch cho trước sinh ra có thể tạo ra một phân hạch khác Cho nên nguyên tắc thiết kế lò là phải làm giảm các quá trình tiêu phí các nơtron không phân hạch sao cho điều kiện nêu trên có thể thỏa mãn Các quá trình tiêu phí nơtron một cách vô ích có 3 dạng như sau:

- Nhiên liệu bắt nơtron mà không phân hạch

- Các vật liệu khác trong lò bắt nơtron

- Các nơtron rò ra khỏi hệ thống lò, không gây được một hiệu ứng nào cả

an toàn nhất Như vậy là người thiết kế phải lựa chọn các kích thước, các tham số vật lý sao cho lò là tối ưu theo nghĩa tiết kiệm nhiên liệu nhất mà hiệu quả lại lớn nhất

Để làm nhiên liệu có thể lấy urani thiên nhiên trong đó có chứa 0,712% U235

, urani làm giàu (có hàm lượng U235 lớn hơn 0,73%), plutoni Pu239, thori Th233

Chất làm chậm [trong các lò phản ứng chạy bằng nơtron chậm hay trung gian (các nơtron

đã được làm chậm một phần trước khi bị hấp thụ để phân hạch tiếp)] có thể là graphit, nước nặng D2O, nước thường H2O, berili và berili oxit BeO, các hất hữu cơ, kim loại lỏng, … Chất phản xạ là bất kỳ chất làm chậm nào như graphit, berili, …

Ngoài ra còn phải chú ý đến một số yếu tố có tính chất kỹ thuật Tất cả các lò phản ứng hạt nhân hoạt động ở những mức công suất cao, ngoài nhiệt năng, trong lò còn sản sinh ra một lượng lớn nơtron, các tia , tia  Ngay cả khi lò đã bị dập tắt, cường độ phóng xạ của các tia , tia  vẫn còn lớn do có một lượng lớn sản phẩm phóng xạ trong quá trình phân hạch sinh ra gây ảnh hưởng xấu đến hoạt động sống Cho nên phần lớn các lò phản ứng đều bọc kín nhiên liệu trong một “vỏ” vật liệu Vật liệu thường dùng để làm vỏ là: nhôm, thép không gỉ, zicorini Thứ nữa, để đảm bảo an toàn cho những người làm việc quanh lò phản ứng, ta phải có thêm những vật chắn để tránh các nơtron nhanh cũng như các tia  vì chúng

là các bức xạ có khả năng xuyên thấu mạnh, do đó có tác dụng phá hủy mô tế bào mạnh Như ta đã thấy ở trên, để làm chậm các nơtron nhanh để chúng dễ dàng bị U235

bắt, ta phải dùng loại vật liệu có nguyên tử nhỏ, trong khi để chắn có hiệu quả nhất đối với các tia lại phải có vật liệu có số khối Z lớn Do đó, người ta thường dùng một hợp chất gồm chất có

Z nhỏ và chất có Z lớn làm vật chắn

26

Trong một số trường hợp, người ta dùng nhiều lớp chì (Pb) và polyetylen để làm vật chắn, còn trong đa số trường hợp người ta dùng bêtông cho tiết kiệm Người ta còn dùng loại bêtông đặc biệt là bêtông thông thường có thêm cốt sắt hoặc pha thêm quặng sắt để tăng tỷ trọng và hiệu quả trong việc chắn các tia  (với bề dày trên dưới 1 m)

Vì Urani tự nhiên chỉ chứa 0,712% U235 phân hạch nên chỉ sử dụng cho các lò phản ứng hấp thụ nơtron và sử dụng chúng một cách hiệu quả như lò nước nặng hoặc lò phản ứng làm nguội bằng khí và dùng chất làm chậm là than chì Nước nhẹ có thể dễ điều chế và rẻ tiền nhưng khả năng bắt nơtron lớn nên không thể dùng urani tự nhiên làm nhiên liệu cho lò phản ứng nước nhẹ Lò phản ứng nước nhẹ dùng nhiên liệu urani được làm giàu lên trên dưới 4%

ở dạng oxit urani Còn Pu thì thích hợp làm nhiên liệu cho lò phản ứng tái sinh nhanh

Để dễ dàng tạo ra phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền, cần phải hãm bớt nơtron tốc

độ cao thành nơtron nhiệt Như vậy, vật liệu làm chậm nơtron được gọi là chất làm chậm Chất làm chậm có hai tính chất như sau:

+ Hấp thụ nơtron hiệu quả

+ Giảm tốc độ của nơtron với hiệu suất cao

Vì vậy, vật liệu thích hợp cho chất làm chậm thường là những nguyên tố có số nguyên

tử nhỏ Nước nhẹ (nước thông thường) có hiệu suất làm chậm rất tốt, giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là hấp thụ nơtron một cách lãng phí Nước nặng cũng có hiệu suất làm chậm tốt nhưng không hấp thụ nơtron một cách lãng phí nên có thể nói đây là chất giảm tốc lý tưởng nhưng giá thành cao và khó điều chế Than chì tuy hiệu suất làm chậm thấp nhưng lại hấp thụ ít nơtron và giá thành tương đối rẻ

Chất thu nhiệt sinh ra trong lò phản ứng và chuyển ra bên ngoài được gọi là chất tải nhiệt Lò phản ứng nước nhẹ dùng làm chất tải nhiệt là nước nhẹ; lò phản ứng nước nặng dùng chất tải nhiệt là nước nặng; còn lò khí thì sử dụng chất tải nhiệt là khí CO2 hoặc Heli

và lò tái sinh nhanh thì dùng chất tải nhiệt là Natri

Chất điều khiển của lò phản ứng có tác dụng điều chỉnh công suất của lò phản ứng (tốc

độ phản ứng phân hạch) và có khả năng hấp thụ nơtron Chất điều khiển được sử dụng phổ biến là boron hoặc cadimi

Bình sinh hơi là thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng để chuyển đổi nước thành hơi nước dưới sức nóng được phát ra từ trung tâm lò phản ứng hạt nhân Tùy thuộc vào công suất lò phản ứng mà người ta có thể lắp đặt hai, ba hoặc bốn bình sinh hơi Và cùng với tâm lò phản ứng, bình sinh hơi được gắn kín trong khối lò phản ứng hạt nhân với lớp bảo vệ hai tầng

2- Sơ đồ nguyên lý và đặc điểm của TBNL hạt nhân

(1)- Sơ đồ nguyên lý của TBNL hạt nhân

TBNL nguyên tử có lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị sinh nhiệt Sơ đồ nguyên lý TBNL nguyên tử được thể hiện trên hình 1.15

Như đã đề cập, bản chất của phản ứng dây chuyền là hạt nhân U235 khi được phân rã tạo thành (23) nơtron nhanh thứ cấp mới, chúng có nội năng đến 2 MeV và tốc độ trên

27

quanh chất đốt bằng chất hãm Trong TBNL nguyên tử tàu thủy, người ta sử dụng nước nặng làm chất hãm Cũng có thể dùng graphit và các chất hữu cơ làm chất hãm

Hình 1.15- Sơ đồ nguyên lý thiết bị năng lượng nguyên tử

1 Vỏ; 2 Thanh kìm hãm phản ứng; 3 Lò phản ứng; 4 Thiết bị trao đổi nhiệt (thiết bị sinh hơi); 5

Tuabin hơi; 6 Hộp số; 7 Chân vịt; 8 Bình ngưng; 9, 10 Bơm; 11 Buồng sinh học

Phần thể tích của lò phản ứng, trong đó chứa chất đốt cùng với chất hãm và phản ứng phân rã hạt nhân xảy ra được gọi là vùng hoạt tính Các lò phản ứng được phân thành:

- Loại đồng nhất: chất đốt hạt nhân và chất hãm tạo thành hỗn hợp (dung dịch, hợp kim, huyền phù) đồng nhất;

- Loại nhiều pha (dị thể): chất hãm bao quanh khối nhiên liệu hạt nhân

Các lò phản ứng tàu thủy, sử dụng các nơtron nhiệt, có cấu trúc vùng hoạt tính dị thể, có kính phản xạ bao quanh nhằm giảm sự tán xạ các nơtron khỏi vùng hoạt tính Người ta cũng

28

Nhiệt tỏa ra từ lò phản ứng được chất tải nhiệt (nước, chất lỏng hữu cơ, chất khí, kim loại lỏng) tuần hoàn theo vòng kín, nhờ bơm tuần hoàn 10 mang đến thiết bị trao đổi nhiệt (thiết bị sinh hơi) 4

Nước ở vòng thứ hai nhận nhiệt, do chất tải nhiệt truyền cho, tại thiết bị trao đổi nhiệt 4

và biến thành hơi bão hòa rồi thành hơi quá nhiệt Hơi quá nhiệt được cung cấp cho tuabin hơi 5, thực hiện quá trình công tác và vòng tuần hoàn như ở TBNL tuabin hơi Trong trường hợp này, lò phản ứng đóng vai trò buồng đốt và thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trò của nồi hơi trong TBNL tuabin hơi

Khi phản ứng phân rã hạt nhân xảy ra có khoảng chừng 80% năng lượng tỏa ra biến thành nhiệt, còn 20% năng lượng bị thất thoát ở các dạng tia Các tia này (nơtron và ) có khả năng xuyên thấu lớn và tác động có hại đến quá trình sinh học trong cơ thể con người Chính vì vậy, tổ hợp gồm lò phản ứng, thiết bị trao đổi nhiệt, trang thiết bị phụ và hệ thống vòng thứ nhất được đặt trong buồng bảo vệ sinh học 11 nhằm hấp thu tất cả các tia đến mức

an toàn đối với con người Buồng sinh học được làm bằng thép, bêtông, nước, cácbit bo Buồng bảo vệ sinh học làm tăng đáng kể khối lượng của TBNL nguyên tử

(2)- Đặc điểm của TBNL hạt nhân

Thiết bị năng lượng hạt nhân có tính độc lập về nhiên liệu rất lớn, viêc gia tăng công suất nhiêt của chúng đi đôi với việc gia tăng vừa phải kích thước và khối lượng của chúng Nhờ đó mà khả năng nâng cao tốc độ chạy tàu được tạo ra

Khối lượng của thiết bị năng lượng hạt nhân Ghnh lớn hơn khối lượng G của thiết bị năng lượng kiểu thông thường không tính dự trữ nhiên liệu Sự khác biệt về khối lượng được thể hiện chủ yếu ở khối lượng lớn của lò phản ứng và buồng bảo vệ sinh học, nhưng nó giảm

theo mức gia tăng công suất nhiệt của lò phản ứng

Thiết bị hạt nhân ngày càng được chế tạo theo hướng nhỏ gọn dần, đáp ứng yêu cầu đối với tàu vận tải có vùng hoạt động không lớn hoặc dự trữ nhiệt liệu ít và trở nên có triển vọng đối với tàu chạy trên mặt nước với vùng hoạt động lớn, tốc độ cao (tàu phá băng chạy đường dài, tàu dầu cỡ lớn, tàu vận tải) và đặc biệt đối với tàu ngầm, vì rằng nó có thể làm việc mà không cần tiếp xúc với không khí của khí quyển Các thiết bị như thế làm việc có hiệu quả nhất khi mang tải toàn phần trong thời gian dài, vì rằng khi giảm tải ngắn hạn và dừng đòi hỏi phải loại bỏ phần thừa của nhiệt lượng

Sự bức xạ trong lò phản ứng khiến người ta phải bố trí buồng bảo vệ sinh học và dẫn đến sự cần thiết áp dụng tự động hoá và điều khiển từ xa bằng các cơ cấu được bố trí ngay trong buồng bảo vệ Trong các thiết bị trao đổi nhiệt và các bơm tuần hoàn của vòng thứ nhất cần phải đảm bảo độ kín tuyệt đối để tránh sự rò rỉ chất tải nhiệt và lan toả chất phóng

xạ

Do dầu bôi trơn bị phân huỷ dưới tác dụng của sự chiếu xạ nên các gối đỡ của bơm vòng thứ nhất được bôi trơn hoặc làm mát bằng nước với kiểu ma sát khô, mặc dù điều này dẫn đến việc gia tăng kích thước của bơm

Các máy móc và thiết bị của vòng phóng xạ cần phải được tính toán để làm việc trong suốt thời gian làm việc liên tục của lò phản ứng vì không thể tiến hành sửa chữa trong khi phản ứng đang diễn ra và gặp khó khăn trong thời gian dừng chúng Cần đặc biệt chú ý đến

dự trữ các phần tử dễ bị hư hỏng và quan trọng của thiết bị Vì nhiệt năng toả ra lớn nên lò phản ứng của thiết bị năng lượng hạt nhân cần được làm mát tin cậy khi chuyển đổi chế độ;

29

trong các thiết bị năng lượng nguyên tử sử dụng tuabin hơi cần phải dự tính việc xả hơi tươi trong bình ngưng

Tính kinh tế của thiết bị năng lượng hạt nhân với tuabin khí gia tăng khi gia tăng nhiệt

độ Khi đảm bảo sự hoàn thiện của lò phản ứng có môi chất làm mát bằng khí và của tuabin khí sẽ tạo điều kiện áp dụng rộng rãi thiết bị tuabin khí hạt nhân trên tàu

Hiện tại chưa nhận biết được những vật liệu có tác dụng bảo vệ ngăn các dòng nơtron và tia gamma ở mức như nhau, vì rằng cơ chế các dạng phóng xạ này khác nhau Các chất có tính chất bảo vệ tốt là bêtông, nhờ trong nó có chứa hiđrô – là nguyên tố có khả năng làm yếu rất nhiều các nơron nhanh và đồng thời làm yếu các tia gamma hấp thụ Các nơtron dễ đi qua chì, nhưng bị hãm lại bởi nước và các hợp chất, có chứa nguyên tử hiđrô; khi có sự va chạm của chì với hạt nhân thì nơtron mất đi chừng 1/50 năng lượng của mình, khi có sự va chạm của nguyên tử hiđrô và hạt nhân thì có thể mất hết năng lượng của mình Nước ngăn chặn tốt các nơtron nhưng bảo vệ tia gama lại xấu Ngược lại, chì bảo vệ tia gama tốt nhưng làm yếu dòng nơtron xấu Chính vì vậy, lớp bảo vệ thường gồm một tổ hợp nhiều thành phần

Kích thước và khối lượng lớp bảo vệ tuỳ thuộc vào kết cấu và thể tích mà nó bọc lấy, kích thước lò phản ứng càng lớn thì kích thước và khối lượng lớp bảo vệ càng lớn

(3)- Ưu nhược điểm

a)- Ưu điểm

- Năng lượng tích trữ trong nguyên tử U235 rất lớn nên không cần lượng dự trữ);

- Tàu sử dụng TBNL nguyên tử không hạn chế vùng hoạt động

b)- Nhược điểm

- Chế tạo, điều khiển cực kỳ phức tạp;

- Phải có những qui trình đặc biệt để chế tạo, dự trữ nhiên liệu;

- Người vận hành cần có trình độ cao

3- Các hệ thống của TBNL hạt nhân

Trong TBNL hạt nhân, về nguyên tắc có các hệ thống thuộc về lò phản ứng và các hệ thống khác về nguyên tắc không khác mấy so với các hệ thống của thiết bị tuabin hơi và tuabin khí bình thường

Trong TBNL hạt nhân hai vòng, làm mát bằng nước, có các hệ thống chuyên dùng sau:

(1) Hệ thống làm sạch nước vòng thứ nhất

Hệ thống làm sạch nước vòng thứ nhất được dùng để loại các sản phẩm ăn mòn và các chất phóng xạ khỏi nước của vòng thứ nhất

(2) Hệ thống làm mát thiết bị hoạt tính vòng thứ nhất

Hệ thống làm mát thiết bị hoạt tính vòng thứ nhất được dùng để làm mát bơm tuần hoàn chất tải nhiệt vòng thứ nhất, bộ phận bảo vệ sinh học của lò phản ứng, thiết bị trao đổi nhiệt, lọc của hệ thống làm sạch nước vòng thứ nhất và các trang thiết bị khác, đòi hỏi phải làm mát và được bố trí gần với lò phản ứng

(3) Hệ thống làm mát phụ (làm nguội phần tử toả nhiệt khi lò phản ứng ngừng hoạt động)

Sau khi dừng lò phản ứng, nhiệt lượng tiếp tục toả ra bên trong phần tử toả nhiệt do sự phân rã các sản phẩm phóng xạ của sự phân hạch Sau khi dừng thiết bị trực tiếp, phần nhiệt còn lại tiếp tục toả ra chiếm chừng 2% công suất nhiệt của lò phản ứng, ở cuối ngày thứ nhất

30

chừng 1%, qua một tháng chừng 0,1% Để giữ cho phần tử toả nhiệt không bị nóng chảy do

sự toả nhiệt này, vùng hoạt tính của lò phản ứng cần được làm mát Nhằm mục đích này, người ta trang bị hệ thống làm mát phụ chuyên dùng, có liên quan tới phần tử cơ bản và được đưa vào làm việc một cách tự động khi dừng lò phản ứng và trong trường hợp sự cố Chất giải nhiệt cho lò phản ứng hạt nhân có thể là nước nhẹ, nước nặng, không khí, các dung dịch hữu cơ, CO2, khí Heli, Natri lỏng, …

Các lò phản ứng hạt nhân sử dụng trên các hạm tàu chủ yếu là loại lò PWR với chất làm mát và chất hãm là nước nhẹ Nó có các ưu nhược điểm sau:

+ Ưu điểm:

- Nước là chất hãm cực kỳ tốt

- Trao đổi nhiệt nhanh, hiệu quả, nhiệt dung riêng thể tích lớn

- Chi phí thấp

- Không bắt lửa và không hấp thụ bức xạ có hại

- Có khả năng bôi trơn và dễ dàng bơm chuyển

(4) Hệ thống điều hoà thể tích của lò phản ứng nước – nước có áp

Hệ thống điều hoà thể tích của lò phản ứng nước – nước có áp được dùng để khắc phục

sự sôi nước trong vùng hoạt tính, có thể xuất hiện khi giảm áp suất trong lò phản ứng, do sự gia tăng chi phí hơi trong vòng thứ hai

(5) Hệ thống loại bỏ chất thải

Hệ thống loại bỏ chất thải được dùng để thu góp và loại bỏ các chất khí, chất lỏng phóng

xạ và các chất thải rắn Không khí, váng bụi (gỉ) và bụi ở gần lò phản ứng bị mang tính phóng xạ (bị hoạt hoá); các sản phẩm có tính phóng xạ được thu góp lại trong các lọc cơ học, trong các phần nhựa của lọc trao đổi ion; các dụng cụ, quần áo bảo vệ, vỏ bọc, vải che cũng bị nhiễm bẩn

Các phần tử của hệ thống bao gồm cả thùng thu góp, các thiết bị để làm sạch (thiết bị làm sạch khí, các lọc cơ học và trao đổi ion, thiết bị bay hơi, …), thiết bị để rửa, thiết bị để làm loãng khí và chất lỏng hoạt tính đến mức an toàn về mặt phóng xạ và cuối cùng là thiết

bị để loại bỏ chất thải có tính phóng xạ khỏi tàu

(6) Hệ thống tiêu nước và bảo quản nước hoạt tính

Hệ thống tiêu nước và bảo quản nước hoạt tính được dùng để thu góp và bảo quản chất tải nhiệt hoạt tính của vòng thứ nhất khi thay thế nó, môi chất làm mát của hệ thống làm mát thiết bị hoạt tính của vòng thứ nhất cũng như thu góp nước có thể rò rỉ và nước dùng để khử nhiễm xạ

4- Tính kinh tế của TBNL hạt nhân

31

Tính kinh tế của TBNL hạt nhân được đánh giá bằng tỷ số giữa công có ích của thiết bị

Qsd với công suất nhiệt của lò phản ứng Qpư, tính cùng đơn vị đo

Hiệu suất của TBNL hạt nhân phụ thuộc chủ yếu vào hiệu suất của thiết bị tuabin và năng lượng tương đối chi phí cho việc tuần hoàn chất tải nhiệt Hiệu suất thiết bị tuabin phụ thuộc vào độ giáng nhiệt của môi chất công tác, đặc biệt phụ thuộc vào nhiệt độ giới hạn trên của nó, và khi các thông số được đảm bảo bởi lò phản ứng nước-nước có áp suất và lò phản ứng nước-nước hiện đại thì hiệu suất của TBNL hạt nhân chiếm chừng tb  0 , 25 Chi phí năng lượng để làm lưu động chất tải nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất hnh

I.4- CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ TBNL TÀU THỦY

I.4.1- CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA TBNL TÀU

Chỉ tiêu kỹ thuật được dùng để đánh giá tính năng kỹ thuật của thiết bị Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của TBNL tàu gồm có: công suất, tính cơ động, khả năng hoạt động độc lập, kích thước và khối lượng, độ tin cậy, điều kiện sống và các chỉ tiêu khác Các chỉ tiêu kỹ thuật của TBNL có các giá trị tuyệt đối và tương đối

1- Chỉ tiêu công suất (đảm bảo tốc độ tàu cho trước)

Người ta sử dụng công suất có ích của TBNL chính N e T hoặc công suất của nó truyền đến thiết bị đẩy N p T làm chỉ tiêu tuyệt đối của công suất TBNL tàu Trường hợp tổng quát, tàu có nhiều động cơ chính hay có nhiều chân vịt thì chỉ tiêu tuyệt đối của công suất có dạng:



 n

i i e T

e N N

p N N

1

Trong đó: N e i - công suất có ích của động cơ chính thứ i;

N p i - công suất truyền đến chân vịt thứ i

Trường hợp đường trục nghiêng so với đường cơ bản một góc  và lệch so với mặt phẳng cắt dọc giữa tàu một góc  thì công suất có ích của động cơ chính được tính theo công thức:

cos.cos

10

dt mt

hs t R K p

x

V R N

Trong đó: R – sức cản chuyển động của tàu, kG;

V - tốc độ cho trước của tàu, m/s;

x - số lượng chân vịt;

p - hiệu suất của chân vịt làm việc trong nước tự do;

K - hệ số ảnh hưởng đến thân tàu;

R - hiệu suất xoáy

t - hiệu suất hệ trục, t  ( 0 , 82  0 , 99 );

hs - hiệu suất bộ truyền, phụ thuộc vào kiểu truyền động;

32

mt - hiệu suất môi trường (đánh giá mức độ giảm công suất do điều kiện môi trường làm việc của động cơ bị thay đổi);

K dt - hệ số dự trữ công suất,

- Đối với tàu sông và pha sông biển: K dt  ( 1 , 15  1 , 20 );

- Đối với tàu biển: K dt  1 , 20

Trường hợp động cơ chính có lai thêm các thiết bị phụ thì công suất có ích của nó được tính theo công thức:

mt hs t





Trong đó: N k - công suất được trích từ động cơ chính cho hộ tiêu thụ thứ k, kW

Ngoài chỉ tiêu tuyệt đối của công suất TBNL tàu, người ta còn dùng chỉ tiêu công suất riêng i, kW/T

e N N

1

, kW;

D - lượng nước chiếm toàn tải của tàu, T

Trong vài trường hợp, người ta sử dụng mức độ trang bị năng lượng của tàu theo công suất truyền đến chân vịt hoặc công suất tổng của TBNL, có tính đến tất cả các máy phát năng lượng (động cơ phụ, nồi hơi độc lập, …) làm chỉ tiêu công suất riêng

Đối với tàu vận tải, trong nhiều trường hợp, người ta sử dụng chỉ tiêu công suất riêng tổ hợp theo tốc độ tàu:

V D

D D

bị đẩy, phụ thuộc vào kiểu loại tàu và lượng chiếm nước của nó

Chất lượng cơ động của TBNL tàu cần phải có khả năng đáp ứng được các yêu cầu về tính cơ động của tàu Tính cơ động của tàu được đặc trưng bởi các yếu tố sau:

- Khả năng chuyển động theo hướng đã định và khả năng đổi hướng của nó;

33

- Khả năng đạt đến tốc độ cho trước và khả năng dừng hẳn nhanh;

- Khả năng quay ở tốc độ cho trước với đường kính vòng quay nhỏ nhất và các yếu tố khác

Để đáp ứng các yêu cầu về tính cơ động của tàu, các chỉ tiêu cơ bản về tính cơ động của TBNL gồm có:

1 Thời gian chuẩn bị đưa thiết bị vào khởi động, độ lâu khởi động và đạt đến công suất định mức, khả năng làm việc quá tải của động cơ;

2 Tốc độ quay thấp nhất ổn định của trục động cơ và trục chân vịt, dải tốc độ quay làm việc của động cơ và vùng cấm của tốc độ quay;

3 Thời gian dừng và đảo chiều, cũng như số lần khởi động và đảo chiều của động cơ trong 1 giờ;

4 Công suất sản ra khi thiết bị làm việc ở hành trình lùi, khả năng triệt tiêu quán tính và đảm bảo đường kính quay vòng nhỏ nhất;

5 Thời gian chuyển từ chế độ này sang chế độ khác Tính độc lập làm việc của các thiết

sự sống còn của con tàu phụ thuộc vào khả năng hoạt động độc lập của tàu

Khi thiết kế, người ta tính sơ bộ khả năng hoạt động độc lập của tàu theo một chế độ hành trình chủ yếu ở tải toàn phần với tốc độ định mức và một chế độ hoạt động chủ yếu Khả năng hoạt động độc lập của tàu trang bị TBNL nguyên tử chỉ phụ thuộc vào dự trữ thực phẩm, khả năng chịu đựng của thủy thủ đoàn về thể chất và tinh thần, thông thường, khoảng chừng 1 năm

4- Chỉ tiêu kích thước và khối lượng

Các chỉ tiêu này có ý nghĩa rất thực tế, vì rằng chúng ảnh hưởng đến lượng chiếm nước, các kích thước chính và lượng chở của tàu Khối lượng TBNL tàu bao gồm khối lượng TBNL chính, TBNL phụ, các máy móc và thiết bị của hệ thống chung toàn tàu, các hệ thống điều khiển, kiểm tra, báo trước sự cố và bảo vệ Các chỉ tiêu kích thước và khối lượng có giá trị tuyệt đối và tương đối

Chỉ tiêu khối lượng tuyệt đối của TBNL bao gồm các chỉ tiêu thành phần sau:

- Khối lượng thiết bị khô, đó là khối lượng của tất cả các động cơ, máy móc thiết bị, hệ thống đường ống và những phần tử khác của thiết bị không có vật thể công tác

- Khối lượng thiết bị ở trạng thái sẵn sàng làm việc, đó là khối lượng của thiết bị được chuẩn bị để hoạt động, bao gồm khối lượng khô của thiết bị và khối lượng các vật thể công tác trang bị cho thiết bị

- Khối lượng toàn phần của thiết bị G T, T, bao gồm khối lượng thiết bị ở trạng thái sẵn sàng làm việc và lượng dự trữ (nhiên liệu, dầu nhờn và nước)

Ngoài chỉ tiêu tuyệt đối của khối lượng, người ta còn sử dụng các chỉ tiêu tương đối cơ bản của khối lượng: khối lượng tương đối và khối lượng riêng

Trong đó: D - lượng chiếm nước của tàu, T

Chỉ tiêu khối lượng tương đối toàn phần của thiết bị g T đặc trưng cho vai trò của lượng chiếm nước toàn phần của tàu phù hợp với TBNL

Khối lượng riêng toàn phần của TBNL r

T

g , kg/kW, được tính theo công thức:

10

T e

T r T

Các chỉ tiêu tuyệt đối chủ yếu của kích thước TBNL tàu gồm có:

- Chiều dài (khoảng cách) giữa các vách ngăn ngang của buồng máy L M, m;

- Diện tích mặt sàn buồng máy F M, m2;

- Thể tích buồng máy V M, m3

Kích thước buồng máy phụ thuộc vào kiểu loại và công suất của TBNL và được đánh giá theo độ bão hòa công suất, nghĩa là theo tỷ số công suất chung của thiết bị với chiều dài buồng máy L M, diện tích mặt sàn buồng máy F M và thể tích buồng máy V M

Người ta cũng sử dụng tỉ số độ choán buồng do thiết bị chiếm chỗ với chiều dài tàu làm chỉ tiêu tương đối của kích thước TBNL tàu:

L

Trong đó: L - chiều dài hai trụ của tàu, m;

K L - hệ số phụ thuộc vào kiểu động cơ chính, K L  ( 1 , 3  4 , 0 );

L mc - chiều dài động cơ chính, tính từ bích ra đến phần lồi cuối cùng của động

cơ ở phía mũi tàu, m

Chỉ tiêu kích thước TBNL tàu có giá trị nằm trong phạm vi rộng tuỳ thuộc kiểu loại tàu, kiểu TBNL, công suất của nó và cách bố trí Đối với tàu vận tải, chỉ tiêu này như sau: lT = (0,12÷0,20), KL = (1,3÷4,0), NL = (200÷800) Ml/m, NF = (20÷50) Ml/m2, NV = (2,0÷4,5) Ml/m3

5- Chỉ tiêu độ tin cậy

Độ tin cậy của TBNL tàu chính là khả năng của nó đảm bảo cho tàu chạy với tốc độ cho trước và đảm bảo sự làm việc của máy móc trên tàu với điều kiện bảo toàn các chỉ tiêu vận hành trong giới hạn đã cho ở tất cả các chế độ trong khoảng thời gian đòi hỏi, thể hiện bằng thời gian hoặc khối lượng công tác của TBNL và được đo trong một đơn vị thời gian hoặc chu trình

Độ tin cậy của TBNL được đánh giá qua độ an toàn, tính hiệu quả sửa chữa và độ bền của nó

Độ bền lâu của TBNL là tính chất bảo toàn khả năng làm việc của nó trong giai đoạn vận hành đến khi bắt đầu trạng thái giới hạn trong hệ thống bảo dưỡng kỹ thuật và sửa chữa

Tính không hỏng hóc, tính hiệu quả sửa chữa và độ bền lâu của TBNL đạt được nhờ việc thiết kế, chế tạo, lắp ráp các phần tử của nó có chất lượng cao, nhờ có dự trữ các phụ tùng quan trọng và do tuân thủ các qui tắc kỹ thuật và hướng dẫn vận hành

Việc nâng cao độ tin cậy của TBNL tàu chịu ảnh hưởng đáng kể bởi việc áp dụng tiêu chuẩn hóa và chuẩn hóa các máy móc, dụng cụ, thiết bị và các phần tử khác của thiết bị, sự thống nhất hóa, điển hình hóa tạo ra các cụm thiết bị được lắp ráp đạt mức tiêu chuẩn

Việc áp dụng tiêu chuẩn hóa làm giảm nhẹ đáng kể đến việc bảo dưỡng TBNL, giảm số lượng các phần dự trữ và rút ngắn thời gian phục hồi hoặc thay thế các phần tử sau khi hư hỏng Việc tiêu chuẩn hóa các phần tử cũng cải thiện được chất lượng chế tạo của chúng Việc sử dụng các sơ đồ hợp lý của hệ thống dự báo, ngăn ngừa và phát hiện các sự cố tạo khả năng nâng cao độ tin cậy của thiết bị

6- Chỉ tiêu điều kiện sống

Điều kiện sống gắn liền với chất lượng của thiết bị năng lượng là một trong những chỉ tiêu quan trọng Điều kiện sống được đảm bảo bởi mức độ thích ứng của việc bố trí TBNL cho hoạt động sống của đội máy khi tất cả các trang thiết bị của TBNL làm việc Đó là một trong những tính chất vận hành quan trọng của TBNL Điều kiện sống được đặc trưng bởi các yếu tố bên ngoài tác động trực tiếp đến chức năng sinh lý của cơ thể con người Các yếu

tố chủ yếu như thế chính là vi khí hậu trong buồng máy, mức áp suất âm và dao động âm Cường độ tỏa nhiệt và bức xạ nhiệt, nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí, tốc độ dòng khí và độ tinh khiết của không khí là các chỉ tiêu vi khí hậu trong buồng máy

Để tạo ra vi khí hậu mong muốn trong buồng máy, người ta trang bị hệ thống thông gió hay điều hòa không khí

Khi TBNL làm việc, tiếng ồn và rung động sinh ra gắn liền với quá trình làm việc trong các máy móc, thiết bị và hệ thống, đi đôi với các dao động đàn hồi của môi trường

Tiếng ồn và rung động ảnh hưởng có hại đến cơ quan thính giác và qua hệ thống thần kinh trung ương đến khắp cơ thể con người gây mỏi mệt, bực bội và giảm sút sự chú ý Ngoài ra, các rung động mà con người cảm nhận được như sự rung lắc, tác động có hại đến

hệ thống tim mạch, cũng như trạng thái của bộ máy tiền đình

Nguồn ồn chủ yếu trên tàu là các động cơ chính, bộ truyền, các máy phát - điêden và tuabin phụ, hệ thống thông gió, thiết bị đẩy, máy nén, sự va đập của sóng và băng với thân tàu, …

Độ ồn được đặc trưng bởi phổ âm chỉ sự phân bố áp suất âm theo tất cả các vùng của tần

số âm Các phổ cho phép của tiếng ồn trong các Quy tắc vệ sinh được thể hiện tùy thuộc vào công dụng của buồng và thời gian tác động của tiếng ồn đến con người:

- Đối với buồng máy có trực ca thường xuyên thì độ ồn cho phép là 85dB;

- Đối với buồng máy áp dụng điều khiển từ xa và có trạm điều khiển cách âm thì độ ồn cho phép là 95dB;

36

- Đối với các buồng cách xa trạm điều khiển thì độ ồn cho phép là 70dB

Theo IMO [Nghị quyết A.468(XII)], độ ồn lớn nhất cho phép như sau:

+ Đối với buồng máy có trực ca thường xuyên thì độ ồn cho phép là 90 dB;

+ Đối với buồng máy không có trực ca thường xuyên thì độ ồn cho phép là 110 dB; + Đối với các buồng điều khiển thì độ ồn cho phép là 75 dB;

+ Đối với xưởng cơ khí thì độ ồn cho phép là 85 dB;

+ Đối với các nơi làm việc không đặc biệt thì độ ồn cho phép là 90 dB

Khi thiết kế tàu, trên cơ sở tính các mức áp suất âm và dao động âm mong muốn, người

ta phác thảo tổ hợp các vật liệu chống ồn và chống rung động để đảm bảo trong các buồng của tàu có mức áp suất âm và rung động nằm trong giới hạn tiêu chuẩn được qui định trong Quy tắc vệ sinh

I.4.2- CÁC CHỈ TIÊU HIỆU QUẢ KINH TẾ - NHIỆT CỦA TBNL TÀU

1- Các chỉ tiêu kinh tế - nhiệt

Các chỉ tiêu hiệu quả kinh tế – nhiệt đặc trưng cho hiệu quả sử dụng nhiệt, sinh ra do sự đốt cháy nhiên liệu trong thiết bị Chỉ tiêu kinh tế - nhiệt có hai nhóm chỉ tiêu tuyệt đối và tương đối Các chỉ tiêu kinh tế - nhiệt tuyệt đối của TBNL tàu gồm có chi phí nhiệt và chi phí nhiên liệu

a)- Chỉ tiêu tuyệt đối về kinh tế – nhiệt có thể được đánh giá bằng mức chi phí nhiệt lượng

và nhiên liệu cho thiết bị năng lượng

b)- Chỉ tiêu tương đối

Các chi phí nhiệt riêng và chi phí nhiên liệu riêng, hiệu suất của thiết bị và hiệu suất của

tổ hợp tàu là các chỉ tiêu tương đối cơ bản của tính kinh tế - nhiệt của TBNL tàu

Tính kinh tế - nhiệt của TBNL tàu được đánh giá bằng hiệu suất của nó e T

Để đánh giá tính kinh tế - nhiệt của TBNL điêden, người ta có thể sử dụng hiệu suất có ích của động cơ chính

Tính kinh tế - nhiệt của liên hợp tàu (động cơ, truyền động, chân vịt và thân tàu) được đánh giá theo hiệu suất của liên hợp:

mc p

H g mc

e p

H g mc

R lh

G

K Q

G

V P x Q

T e T

g - chi phí nhiên liệu của thiết bị ở chế độ tải bộ phận

2- Hiệu quả kinh tế

Trong đa số trường hợp hiệu quả kinh tế là tiêu chuẩn của tính tối ưu của giải pháp kỹ thuật được đánh giá Thông thường, người ta đánh giá hiệu quả kinh tế theo hiệu quả vốn đầu tư khi thực hiện giải pháp này Hiệu quả vốn đầu tư được xác định bằng cách so sánh các chi phí và hiệu quả nhận được (hiệu quả này tùy thuộc và công dụng và đặc tính của đối tượng và có thể đo theo các đơn vị khác nhau)

37

Giá trị nhỏ nhất của chi phí hàng năm Z cp, đ/năm là chỉ tiêu hiệu quả tương đối của vốn đầu tư khi đánh giá hiệu quả kinh tế của tổ hợp công trình bất kỳ và được xác định theo công thức:

Trong đó: G - giá thành đơn vị sản phẩm theo phương án được xem xét, đ;

E hq - hệ số hiệu quả tiêu chuẩn ngành của vốn đầu tư;

V - vốn đầu tư theo phương án được xem xét

Hệ số tiêu chuẩn ngành E hq xác định đại lượng kinh tế của các chi phí lưu động cho 1 đ vốn đầu tư qui mô lớn bổ sung

Khi đánh giá hiệu quả kinh tế cần chú ý không những các chi phí vận hành đặc trưng cho chính giá thành sản phẩm mà cả sự hoàn vốn đầu tư qui mô lớn Hệ số hiệu quả tiêu chuẩn ngành liên quan với thời hạn hoàn vốn T hv

hv hq

Trong đó: C - các chi phí vận hành hàng năm hoặc chi phí lưu động, đ/năm

Chi phí vận hành hàng năm gồm có các chi phí: lương, trích khấu hao, bảo dưỡng kỹ thuật và sửa chữa, nhiên liệu, vật rẻ tiền mau hỏng và chi phí khác

Đối với công trình đóng mới thì còn có chi phí ban đầu hay vốn đầu tư

Ngoài ra, người ta còn dùng chỉ tiêu hiệu quả tự động hoá:

cp

td cp id

Rõ ràng là không thể tạo ra được thiết bị cùng lúc có được các chỉ tiêu trên tốt nhất Do

đó, khi thiết kế TBNL tàu tuỳ theo trường hợp cụ thể mà chọn thiết bị có nhóm chỉ tiêu quan trọng có giá trị tốt nhất

Ngoài ra, còn có các chỉ tiêu khác: chỉ tiêu môi trường; chỉ tiêu tính công nghệ, tiêu chuẩn hóa và thống nhất hóa; chỉ tiêu sáng chế - pháp lý; chỉ tiêu Ecgônômi, thẩm mỹ; chỉ tiêu sinh thái

1.5- CÁC PHƯƠNG ÁN TRANG BỊ ĐỘNG LỰC TRÊN TÀU ĐIÊDEN VÀ VIỆC CHỌN DẪN ĐỘNG PHỤ

1.5.1- CÁC PHƯƠNG ÁN TRANG BỊ ĐỘNG LỰC TRÊN TÀU ĐIÊDEN

Khi thiết kế TBNL tàu, cần chọn phương án trang bị động lực tùy theo kiểu loại và công dụng tàu, dạng truyền động

Trong thực tế có các phương án trang bị động lực sau:

38

1- Năng lượng dùng để đẩy tàu và năng lượng cung cấp cho các thiết bị phụ tách rời

(riêng biệt) nhau (Hình 1.16)

Phương án này được áp dụng trên các tàu cỡ lớn (khối tàu đánh cá Việt -Xô, Việt –Trung trước đây)

Hình 1.16- Hệ thống năng lượng chính và phụ riêng biệt

1 Chân vịt; 2 Hệ trục; 3 Máy chính; 4 Máy phụ; 5 Máy phát điện; 6 Bảng phân phối điện chính

2- Trích công suất của máy chính cho những mục đích không liên quan đến việc đẩy tàu (để dẫn động thiết bị phụ)

Hình 1.17a- Phương án trích công suất từ máy chính kiểu cơ khí và điện

1 Chân vịt; 2 Hệ trục; 3 Máy chính; 4 Cụm trích công suất kiểu cơ khí; 5 Máy tời khai thác; 6 Trục các đăng; 7 Máy phát điện do máy chính lai; 8 Máy phụ; 9 Máy phát điện; 10 Bảng phân phối điện chính

Thông thường, công suất của máy chính được trích để lai máy phát điện, bơm, máy lạnh, máy tời khai thác, … Riêng máy tời khai thác, tời neo có thể dẫn động từ máy chính theo các kiểu cơ khí, thủy lực và điện

Phương án này được áp dụng trên các tàu đánh cá cỡ vừa và nhỏ (khối tàu 440 ML, 400

ML, 225 ML, …) (Hình 1.17a, 1.17b)

39

Hình 1.17b- Phương án trích công suất từ máy chính kiểu thủy lực và điện

1 Chân vịt; 2 Hệ trục; 3 Máy chính; 4 Bơm thủy lực; 5 Máy phụ; 6 Máy phát điện; 7 Bảng phân phối

điện chính; 8 Máy phát điện do máy chính lai

3- Hệ thống năng lượng điện chung

Phương án này có các nguồn điện năng được nối chung vào một hệ thống và được áp

dụng cho trường hợp truyền động điện (Hình 1.18)

Hình 1.18- Hệ thống năng lượng điện chung

1 Động cơ sơ cấp; 2 Máy phát điện; 3 Bảng phân phối điện chính; 4 Động cơ điện lai chân vịt;

5 Hệ trục; 6 Chân vịt

1.5.2- CHỌN DẪN ĐỘNG PHỤ

A- Chọn dẫn động phụ

Dẫn động được định nghĩa là hệ thống dùng để làm cho máy móc hoạt động

Việc chọn hình thức dẫn động phụ có ảnh hưởng rất lớn đến việc chọn phương án trang

bị động lực Hiện tại có các hình thức dẫn động phụ sau: