bài giảng chi tiết nồi hơi tua bin

Tác dụng xung kích biến đổi động năng thành cơ năng Cho một dòng hơi có động năng lớn thổi vào một bản phẳng hình 1.1a, dòng hơi tác dụng lên bản phẳng với ba thành phần: Đẩy vật dịch ch

PHẦN II: TUA BIN HƠI TÀU THỦY CHƯƠNG I: NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TUA BIN HƠI

1.1 Nguyên lý chung của dòng hơi, hoạt động của tầng tua bin

1.1.1 Nguyên lý tác dụng xung kích, đặc tính xung kích

Hình 1.1 Tác dụng xung kích biến đổi động năng thành cơ năng

Cho một dòng hơi có động năng lớn thổi vào một bản phẳng (hình 1.1a), dòng hơi tác dụng lên bản phẳng với ba thành phần: Đẩy vật dịch chuyển theo phương chiều dịch chuyển của dòng hơi; ma sát sinh nhiệt tại chỗ của dòng hơi và bản phẳng; bắn hạt hơi bật trở lại theo mọi phương Trong ba thành phần, tác dụng đảy bản phẳng là tác dụng xung kích của dòng hơi biến động năng của dòng hơi thành công cơ học Nếu bản phẳng được gắn bánh xe thì nó sẽ chuyển động làm công có ích của dòng hơi tăng lên, nếu hai thành phần tổn thất năng lượng kia giảm thì thành phần xung kích sẽ tăng Nếu ta thay đổi bề mặt phằng thành mặt cong và vị trí thổi hợp lý, ta sẽ giảm được hai tổn thất đó và tác dụng của dòng hơi tăng lên (hình 1.1b) Khảo sát dòng hơi chảy trong cánh bán nguyệt (hình 1.2):

Khi dòng chảy dọc theo bề mặt cánh các hạt hơi ở a, b, c hay bất kỳ điêm nào trên cánh đều xuất hiện lực

ly tâm P tác dụng lên cánh Trong đó, thành phần Pa vuông góc với phương của dòng chảy, chúng đối xứng

và triệt tiêu lẫn nhau nên không ảnh hưởng tới chuyển động của cánh, thành phần Pu tổng hợp thành lực làm dịch chuyển cánh Trên thực tế, các prôphin của cánh tua bin không hình thành bán nguyệt, phương của dòng hơi trùng với phương chuyển động của cánh

ra khỏi ống phun được thổi vào rãnh của cánh Khi dòng hơi lưu động từ cửa vào của ống phun đến mép ra của rãnh cánh đã thực hiện một dòng hoàn chỉnh Một cụm bao gồm ống phun và rãnh cánh như vậy gọi là một tầng xung kích của tua bin Trong tầng xung kích, hơi chỉ giãn nở trong ống phun, trên rãnh cánh hơi không giãn nở do rãnh cánh được làm đối xứng

Hình 1.3 Sơ đồ tầng xung kích

1.1.2 Nguyên lý tác dụng phản kích, đặc tính tầng phản kích

Khác với tầng xung kích, rôto của tần phản kích quay được không chỉ dựa vào tác dụng xung kích của dòng hơi mà còn nhờ vào tác dụng phản lực của dòng hơi trên cánh Tác dụng phản lực sinh ra khi hơi giãn

nở trên rãnh cánh do biên dạng của cánh không đối xứng

Khi chảy qua ống phun

Áp suất Po giảm xuống P1 ;

Tốc độ dòng hơi Co tăng lên thành C1 nhờ sự giãn nở của dòng hơi, biến áp năng thành động năng

Do các cánh có prôphin đặc biệt (gần giống ống phun) cho nên khi dòng chảy vào cánh sẽ xảy ra sự giãn

nở lần thứ hai làm áp suất tiệp tục giảm P2, động năng tăng, C2 nhỏ Sự giãn nở của dòng hơi trong các rãnh cánh gây ra gia tốc của dòng trong đó, gia tốc tạo lên phản lực tác dụng lên prôphin cánh

Với tầng phản kích, lực tổng hợp tác dụng lên cánh sẽ gồm :

- Lực xung kích Px

- Lục dọc trục Pa = P1 – P2 (chênh áp lực)

- Lực phản kích Pp

Lực tổng hợp P u =P+P a =P x +P p +P1−P2

1 Ống phun

2 Cánh động

3 Bánh động

4 Trục

5 Đường hơi ra

6 Vỏ tua bin

Hình 1.4 Sơ đồ tầng phản kích

Mức độ phản kích được tính bằng tỷ số của nhiệt giáng lý thuyết do giãn nở trên cánh và nhiệt giáng lý thuyết do giãn nở trên toàn tầng (%), mức độ phản kích bằng 40 – 60 %, thực tế là 50 %

1.1.3 Tua bin nhiều tầng

Khi dùng tua bin một tầng thì năng lượng thải còn tương đối lớn và không tận dụng được hết Vì vậy người ta dùng tua bin nhiều tầng, do các kiểu liên hợp khác nhau giữa các tầng xung kích và phản xung kích cấu tạo nên

a Tua bin xung kích nhiều cấp độ - Tua bin xung kích vành đôi Kertic (hình1.5)

chuyển thành cơ năng lần thứ nhất và quá trình xảy ra dưới áp suất không đổi do rãnh cánh xung kích không giãn nở

Trên rãnh cánh P1 = P2, tốc độ giảm từ C1 xuống C2 Ra khỏi rãnh cánh động thứ nhất dòng hơi được dẫn vào cánh hướng Trong cánh hướng, dòng hơi không biến đổi năng lượng mà chỉ thay đổi hướng chảy để vào cánh động hai sao cho cùng chiều với CH1 Vị trí của cánh hướng như cấp tầng ống phun nhưng chức năng khác hẳn nhau áp suất qua cánh hướng là không đổi còn vận tốc có giảm chút ít (gần như không thay đổi) Ra khỏi CH, dòng hơi chảy vào rãnh CĐ2 thực hiện quá trình biến đổi năng lượng, động năng của dòng hơi biến đổi thành cơ năng lần 2 Khi chảy qua CĐ2, áp suất không đổi P1 = P2 = P4, tốc độ giảm xuống từ C3 đến C4 Hơi thải chỉ mang động năng rất nhỏ ứng với tốc độ C4 nhỏ hơn C3 Tổn thất hơi thải giảm, hiệu suất tua bin tăng lên

b Tua bin xung kích nhiều tầng áp suất (hình1.6)

Trong tầng xung kích thứ hai, nếu ta thay ống phun vào vị trí của rãnh cánh hướng thì dòng hơi sẽ diễn lại quá trình biến đổi năng lượng như ở tầng trước làm thành quá trình sinh công hoàn chỉnh Trạng thái hơi áp suất P2, tốc độ C2 la trạng thái hơi ban đầu của tầng thứ hai Trong tầng thứ hai, ở ống phung

áp suất giảm từ P2 xuống P3, tốc độ tăng từ C2 lên C3 Trong rãnh cánh động áp suất không đổi P3 = P4, tốc độ giảm từ C3 xuống C4 Sau tầng thứ hai, nếu ta lắp thêm các tầng thứ 3, thứ 4 thì qúa trình sin công diễn ra hoàn toàn tương tự Trên trục tua bin bố trí bao nhiêu tầng sẽ có ngần ấy quá trình giãn nở

áp suất hơi giảm, ngần ấy lần sinh công

c.Tua bin xung kích hỗn hợp, tua bin hỗn hợp xung kích và phản kích

Các tua bin chính tàu thủy ứng dụng rộng rãi kiểu tua bin xung kích hỗn hợp nhiều cấp tốc độ với nhiều cấp áp lực, tua bin hỗn hợp xung kích và phản kích trong các tua bin kiểu hỗn hợp này dòng hơi thực hiện quá trình sinh công liên tục trong các tầng, thứ tự theo chiều chảy dọc của dòng Quá trình biến đổi năng lượng trên mỗi tầng tuân theo đặc tính xung kích hay phản kích của tầng đó như đã trình bày ở phần trên Các hình vẽ (hình 1.7,1.8) giới thiệu các kiểu tua bin thông dụng trên tàu

Hình 1.7 Các kiểu tua bin xung kích hỗn hợp

Hình 1.8 Tua bin hỗn hợp xung kích - phản kích

1.2 Đặc điểm, phân loại tua bin tàu thủy

1.2.1 Đặc điểm của tua bin tàu thủy với các loại động lực tàu thủy

Động cơ tua bin tàu thủy có một loạt các ưu điểm mà các động lực khác không thể có:

1 Tua bin có quá trình sinh công liên tục là quá trình sinh công có lợi nhất cho các cơ nhiệt Điều này các động cơ tàu thủy khác không có nhờ đó mà tua bin có thể sử dụng tốc độ cao cho chất công tác và các bộ phận máy, làm tăng công suất, hiệu suất, giảm khối lượng và kích thước Các tua bin hiện đại có tốc độ từ

3500V/p đến 15000V/p và cao hơn nữa Cũng do quá trình sinh động liên tục nên tải trọng cơ, nhiệt trong các

bộ phận máy được giữ ở chế độ ổn định không thay đổi Nhờ vậy độ bền các chi tiết máy tăng lên, động cơ

có tuổi thọ cao việc chế tạo động cơ đơn giản, gọn nhẹ

2 Tua bin có tính kinh tế cao, các chất công tác có khả năng giãn nở lớn Thế năng ban đầu được sử dụng triệt để Các tua bin hiện đại đã dùng hơi có thông số ban đầu P = 20 ÷ 100 kG/cm2 nhiệt độ 600 ÷

650oC giãn nở đến áp suất thải 0,05 ÷ 0,03kG/cm2

3 Tất cả các bộ phận chuyển động của tuabin được gắn vào một khối (rôtô) và chỉ chuyển động quay tròn theo một chiều cùng một tốc độ Không có chi tiết chuyển động lui tới, các chi tiết chuyển động song

tích tua bin trên một đơn vị công suất, bảng sau đây liệt kê của các loại động cơ nhiệt đối với phạm vi công suất thường dùng trên tàu biển

Chỉ số kinh tế và trọng lượng của các động cơ tàu thủy hiện đại với các dạng khác nhau đối với tàu buôn công suất bình thường

Dạng thiết bị

Hiệu suất nhiệt (%) (đ/c + bộ truyền động)

Tiêu thụ nhiên liệu kg/ml.h Trọng lượng kg/ml (đ/c)

Tua bin hơi nước, thông số ban đầu

Tua bin khí với hoàn nhiệt công

Máy hơi nước, thông số hơi ban

Động cơ đốt trong thấp tốc công

suất 1000ml tăng áp bằng tuabin khí

xả, truyền động trực tiếp chân vịt

Động cơ đốt trong cao tốc công

6 Điều khiển, sử dụng dễ dàng, làm việc tin cậy độ sẵn sàng cao Chi phí sửa chữa phục vụ ít điều kiện làm việc nhẹ nhàng

7 Có nhiều khả năng để hiện đại hóa Có thể sử dụng với năng lượng nguyên tử Sử dụng tua bin tàu thủy có nhiều triển vọng lớn

Nhược điểm:

1 Tua bin chỉ quay một chiều không tự đảo chiều được vì vậy bố trí riêng một tua bin khác cho tàu chạy lùi Việc này làm tăng tổn thất công suất của hệ thống do phải kéo cả những bộ phận làm việc trong hành trình làm tăng trọng lượng và kích thước máy Trên tàu thủy dùng chân vịt biến bước hay truyền động thì nhược điểm này được khắc phục

2 Vòng quay của tua bin lớn hơn rất nhiều so với vòng quay thích hợp của chân vịt Công suất tua bin càng lớn mâu thuẫn này càng tăng Vì vậy trong hệ động lực tua bin phải bố trí truyền động giảm tốc trung gian và chân vịt Điều đó làm tăng kích thước trọng lượng và giảm hiệu suất của hệ thống Các tua bin có công suất bé việc bố trí truyền động giảm tốc càng giảm tính ưu việt của tua bin Thực tế trên các tàu nhỏ người ta không bố trí hệ động lực tua bin hơi

3 Hiệu suất chung của toàn hệ thống còn thấp với động cơ diesel Các động cơ diesel hiện đại có công suất từ 36 ÷ 42 hệ thống tua bin tàu thủy mới chỉ có 22 ÷ 26%

Hệ thống tua bin khí thủy mới chỉ đạt 22 ÷ 28% Nhược điểm này đang được quan tâm hàng đầu trong việc hiện đại hóa tua bin hơi tàu thủy để có thể phổ biến cho các tàu thủy hiện đại và phạm vi công suất và trọng tải rộng rãi

1.2.2 Phân loại tua bin hơi tàu thủy

1 Phân theo chức năng.

- Tua bin chính: quay trục chân vịt bao gồm hành trình tiến và tua bin lùi

- Tua bin phụ: để lai các máy phụ như máy phát điện phục vụ, bơm các loại thiết bị phục vụ nồi hơi và

hệ thống

2 Phân theo cấu tạo.

- Tua bin nhiều thân: thông thường loại hai thân, thân cao áp đặt tua bin cao áp, thân thấp đặt tua bin thấp áp và tua bin lùi Loại này đi cùng với bộ truyền động bánh răng hay thủy lực

- Tua bin một thân: toàn bộ các tầng chỉ cấu tạo một trục phần cao áp là tua bin cao áp, phần thấp áp là tua bin thấp áp giữa hai phần có buồng điều áp trung gian tua bin này thường dùng với truyền động điện

3 Phân theo đặc tính quá trình làm việc.

- Tua bin xung kích: Bao gồm các kiểu xung kích hỗn hợp nhiều cấp áp lực, nhiều cấp tốc độ Tua bin xung kích được ứng dụng ở vùng cao áp

- Tua bin phản kích nhiều tầng thường dùng ở vùng trung áp hay thấp áp

- Tua bin hỗn hợp xung kích, phản kích

4 Phân loại theo thông số hơi.

- Tua bin cao áp: làm việc với hơi có thông số ban đầu P > 35 kG/cm2 ; t > 400oC

- Tua bin trung áp: làm việc với hơi có thông số ban đầu 6 > P ≤ 35kG/cm2; t < 400oc

- Tua bin thấp áp: làm việc với hơi có thông số ban đầu P < 6kg/cm2

5 Theo đối đáp và ngưng tụ:

- Tua bin ngưng tụ: hơi nước được giãn nỡ từ áp suất ban đầu đến trạng thái hơi có áp suất 0,06 ÷ 0,04kG/cm2 được làm ngưng thành nước tuần hoàn trở lại nồi hơi Tuabin chính của tàu thủy chỉ cấu tạo ngưng tụ

- Tua bin đối áp: hơi thải có áp suất lớn hơn áp suất khí quyển 1,5 ÷ 3 kG/cm2 không thải vào bầu ngưng tụ mà đưa vào các thiết bị tận dụng nhiệt, hâm nước và nhu cầu sinh hoạt trên tàu, các tua bin tàu thủy thường ứng dụng đối áp

6 Theo sự truyền động trung gian

- Truyền động trực tiếp: dùng để lai máy phát, máy phụ Trong một vài trường hợp đơn giản công suất nhỏ có thể trực tiếp cho chân vịt quay nhanh

- Truyền động cơ giới: thông dụng là truyền động bánh răng hai cấp loại này có hiệu suất cao kết cấu nặng nề, kích thước lớn Thường dùng cho tua bin công suất lớn loại hai thân vòng quay lớn

- Truyền động điện: điều khiển nhạy, đảo chiều nhanh chỉ cần tua bin chính quay một chiều Thường dùng dùng tua bin một thân công suất trung bình Hiệu suất thấp hơn kiểu cơ giới

- Truyền động thủy lực: điều khiển nhạy, làm việc đảm bảo có thể dùng với mọi công suất mọi tốc độ khác nhau Hiệu suất cao nhưng chế tạo đắt sử dụng cần có kỹ thuật cao Truyền động thủy lực đi với chân vịt biến bước rất có lợi hiệu quả kinh tế cao Là kiểu tiên tiến đang được phát triển cho các tua bin hiện đại

7 Theo kiểu giãn hơi.

- Tua bin hướng trục: phổ biến thông dụng cho tàu thủy, sửa chữa dễ nhưng kích thước trọng lượng lớn

- Tua bin hướng tâm: hiệu suất cao, gọn nhẹ nhưng công suất không lớn chế tạo sửa chữa phức tạp

Câu hỏi ôn tập

1 Trình bày nguyên tắc tác dụng xung kích của dòng hơi Đặc tính tầng xung kích ?