Tự động điều chỉnh tua bin hơi tàu thủy

Tuy ngày nay, tua bin hơi nước không còn được sử dụng rộng rãi trên tàu thuỷ nhưng việc nghiên cứu về các hệ thống tự động vẫn là điều cần thiết bởi vì nó sẽ giúp người vận hành có kiến

Chương 4

Tự động điều chỉnh tua bin hơi tàu thủy

Tua bin hơi nước là một loại động cơ mà trong đó việc sử dụng nhiệt năng để thực hiện sinh công

so với động cơ piston hơi nước xảy ra phức tạp hơn nhiều Thật vậy, ở tua bin hơi, nhiệt năng được đưa vào tua bin thông qua hơi nước trước hết được chuyển thành động năng, sau đó mới tiếp tục sinh công

Đã từ rất lâu, người ta đã biết tận dụng động năng của hơi nước giãn nở trong ống phun để sinh công Vào năm 1883 De LAVAL (Thuỵ Điển) lần đầu tiên đã chế tạo thành công tua bin xung kích và sau

đó một người Anh tên là Parsons đã chế tạo ra tua bin phản kích

Vào năm 1895 tại nước Anh người ta đã chế tạo thành công con tàu chạy bằng tua bin hơi nước mang tên "Turbinia" và có trọng tải chỉ vào khoảng 45.103KG Công suất của tuabin là 2000 mã lực và đẩy con tàu chạy với vận tốc 34hải lý/giờ

Trong các năm 60 và đầu năm 70 do khủng hoảng về nhiên liệu, hơn nữa trong thời kỳ này các hãng chế tạo động cơ chưa hoàn thiện hoá được các động cơ diesel, nên hệ động lực tua bin hơi nước phát triển rất mạnh Có thể nói 100% các tàu có trọng tải lớn cỡ VLCC đều được trang bị tua bin hơi nước là động cơ chính để lai chân vịt vì chúng có những ưu điểm đáng kể so với động cơ diesel như: sử dụng được nhiên liệu rẻ tiền, động cơ phát triển ra được công suất lớn, độ ồn nhỏ hơn, độ tin cậy và tuổi thọ cao hơn vv

Tuy ngày nay, tua bin hơi nước không còn được sử dụng rộng rãi trên tàu thuỷ nhưng việc nghiên cứu về các hệ thống tự động vẫn là điều cần thiết bởi vì nó sẽ giúp người vận hành có kiến thức rộng hơn trong nghề nghiệp của mình

§1.Tính chất động học của tua bin tàu thuỷ

Nhằm mục đích tự động hoá quá trình làm việc của tuabin hơi tàu thuỷ, việc tìm hiểu tính động học của tua bin là vấn đề rất quan trọng, nó sẽ giúp cho việc tìm hiểu mối quan hệ tín hiệu ra và vào ở trạng thái động Để nghiên cứu các tính chất động cơ bản của tuabin hơi hãy dựa trên sơ đồ cấu tạo của tuabin như thể hiện trên hình 4.1

Hình 4.1 Hơi có thông số ban đầu Po, to sau khi đi qua van manơ chính ở phía trước ống phun hơi có các thông số P1 và t1 sau khi hơi rãn nở để sinh công tại các cánh của tuabin, hơi đi đến bầu ngưng có các thông số P2, t2 Khi thay đổi cửa mởa của van sẽ làm thay đổi các thông số áp suất và nhiệt độ của hơi ở trong không gian chứa hơi giữa van manơ chính và các ống phun (ống rãn nở) và do vậy sẽ làm cho vòng quay của roto tua bin thay đổi Tại đây có thể thấy hai khả năng tích trữ năng lượng, thể tích chứa hơi và roto của tuabin Mỗi dung tích tích trữ năng lượng đều có phương trình động của mình

1.1 Phương trình động của không gian chứa hơi

Nếu gọi Gv lưu lượng hơi đi qua van manơ chính (KG/s)

Gt: lượng hơi đi qua tua bin trong một đơn vị thời gian (KG/s)

Gth: lượng hơi tích trữ trong không gian chứa hơi (KG)

Nếu Gth ≠ Gt khi đó có nghĩa là thay đổi cửa mở của van manơ, thì sự thay đổi lượng hơi trích trữ

(GV - GT)dt = dGTH (4.1)

ở trạng thái tĩnh thì GOV - GOT = 0 do vậy khi chia cả hai vế của phương trình (4.1) cho dt, sẽ có được phương trình có dạng

dt

dG G

t

Lượng hơi tích trữ ở không gian chứa hơi có thể viết dưới dạng sau:

Trong đó: VH: thể tích của không gian chứa hơi (m3)

ρ1: tỷ trọng của hơi trong không gian hơi (KG/m3)

Quá trình nhiệt xảy ra trong không gian chứa hơi này theo quá trình đa biến và tuân thủ theo phương trình đặc tính

P1.ρ-n

1 = const có nghĩa là ρ1 = f(P1)

Sau khi lấy vi phân và tuyến tính hoá phương trình này, sẽ nhận được dạng:

dt

dP P dt

1

1 1

∂

ρ

∂

=

ρ

(4.4) Kết hợp cả hai phương trình (4.3) và (4.4) sẽ nhận được:

dt

dP P V dt

1

1 H

TH

∂

ρ

∂

Đối với thông số GV và GT theo lý thuyết và thực nghiệm có thể tính được theo các mối quan hệ sau:

GT = f2(P1, t1, P2)

Trong đó: m độ mở của van manơ

Để làm giản đơn hoá phương trình (4.6) hãy đề cập đến một số mối quan hệ sau: to = f39P0); t'1 =

f4(P1) và P2 << P1 nên thực chất nó không ảnh hưởng nhiều đến giá trị GT Vậy phương trình (4.6) có thể viết dưới dạng:

GT = f6(P1)

Tuyến tính hoá phương trình (4.7) sẽ có dạng:

m m

G P P

G P P

G

1 1

V o

o

V

∂

∂ +

∆

∂

∂ +

∆

∂

∂

=

1 1

T

P

G

∂

∂

=

∆

Thay các phương trình (4.5) và (4.8) vào phương trình (4.2) có dạng:

1 1

T 1

V V

o o

V 1

1

1

P

G P

G m

m

G P

P

G dt

dP P









∂

∂

−

∂

∂

−

∆

∂

∂ +

∆

∂

∂

=

∂

ρ

∂

(4.9)

Nếu đặt

dm 1

1 1

P

P

∆

=

ψ giá trị tương đối của sự thay đổi áp suất hơi trong không gian chứa hơi

odm

o o

P

P

∆

=

ψ giá trị tương đối của sự thay đổi áp suất hơi trước van manơ

dm

m

m

∆

=

µ giá trị tương đối của sự thay đổi của cửa mở van manơ

pođm, p1đm, mđm: các giá trị định mức

và thay vào phương trình (4.9) sẽ có dạng:

1

R R

dt

ψ ψ

ψ

ψ

−

ψ

=

µ

−

ψ

(4.9) Trong đó:

odm o V

dm 1 1

1 H 0

P P G

P P V R

∂

∂ ∂

ρ

∂

=

ψ

1

V 1

T

dm 1 1

1 H 1

P

G P G

P P V R

∂

∂

−

∂

∂ ∂

ρ

∂

=

ψ

dm V 1

1 H

m m G P V R

∂

∂ ∂

ρ

∂

=

µ là những hệ số không đổi (s)

Qua phương trình này cho thấy ψ1 sẽ tăng lên khi tăng cửa mở của van manơ và áp suất của hơi trước van manơ

1.2 Phương trình động của roto tua bin

Dựa trên phương trình cân bằng mômen động của roto quay M

dt

d

J ω=Σ đối với trường hợp của tuabin hơi có thể được biểu thị dưới dạng:

pt c

M dt

d

Trong đó:

J: mômen quán tính của roto tuabin KG.m.s2

ω: tốc độ góc của roto [1/s]

Mđ: mômen phát ra của tua bin

Mc: mômen cản (ma sát )

Mpt: mômen phụ tải [KG.m]

ở trạng thái tĩnh có thể viết:

Trên cơ sở các phương trình (4.9) và (4.10) rút ra được phương trình có dạng sau:

pt c

M dt

d

Theo cách tính toán công suất của tuabin phát ra dựa trên cơ sở các phương trình nhiệt cho thấy:

ω

η

= 419GT.Ha e

Mld

Trong đó: Ha độ giáng nhiệt Kcal/KG

ηe: hiệu suất có ích của động cơ

Như đã biết GT phụ thuộc vào áp suất p1, các giá trị Ha và ηe được tính toán theo các phương trình sau:

Ha = f7(p1, t1, p2)

ηe = f8(ω, p1, t1, p2)

Phương trình của mômen do tua bin phát ra có dạng:

Mđ = fa(p1, t1, p2, ω)

Nhưng lại có t1 = f4(p1) cho nên có thể viết :

Mômen cản Mc đối với tua bin hơi chủ yếu phụ thuộc vào vận tốc góc của roto tua bin ω

Mômen phụ tải đối với tua bin lai chân vịt cũng phụ thuộc vào vận tốc góc ω nên

Thực hiện tuyến tính hoá các phương trình (4.12) (4.13) và (4.14) sẽ nhận được dạng:

∆ ω

∂

∂

=

∆

ω

∆ ω

∂

∂

=

∆

ω

∆ ω

∂

∂ +

∆

∂

∂ +

∆

∂

∂

=

∆

M M

M M

M P P

M P P

M M

pt pt

c c

d 2

2

d 1 1

d d

(4.15)

Thay các phương trình (4.15) vào phương trình (4.11) sẽ nhận được dạng:

2 2

d 1

1

d d

pt

P

M P P

M M

M M

dt

d

∂

∂

−

∆

∂

∂ + ω

∆









ω

∂

∂

− ω

∂

∂ + ω

∂

∂

−

= ω

∆

(4.16)

P

M P

M

2

d 2

∂

∂

−

=

∂

∂

bởi vì cùng với sự tăng lực cản áp suất, mômen sản ra của tuabin giảm xuống do có sự giảm của độ giáng nhiệt Ha

Đưa phương trình (4.16) trở về dạng với các thong số không có thứ nguyên có thể nhận được dạng phương trình sau:

ϕ ϕ

ϕ

ϕ

−

ϕ

−

ϕ

=

ϕ

T T

T dt

d

2

2 1

1

(4.17)

Trong đó:

dm

ω

ω

∆

=

ϕ giá trị tương đối của vận tốc góc

dm 2

2 2

P

P

∆

=

ϕ giá trị tương đối của áp suất trong bầu ngưng

ω

∂

∂

− ω

∂

∂ + ω

∂

∂

=

ϕ

d pt

M

J T

dm 1 1 d

dm 1

P P M

J T

∂

∂ω

=

ϕ

dm 2 2 d

dm 2

P P M

J T

∂

∂

ω

=

ϕ

Tϕ, Tϕ1, Tϕ2 các hệ số không đổi của rô to [s]

Trên cơ sở phương trình (4.17) cho thấy khi muốn tăng vòng quay của tua bin có thể tăng áp suất hơi trước các ống phun hoặc làm giảm áp suất p2 ở trong bầu ngưng

1.3 ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến quá trình chuyển tiếp trong tua bin

Để có thể nghiên cứu tính động học xảy ra trong tua bin của các quá trình khác nhau có thể dựa vào chương trình (4.9)(4.17) cùng với các phương trình biểu thị sự thay đổi áp suất trước van manơ chính

và áp suất trong bầu ngưng

Giả sử các thông số p0 = const, p2 = const có nghĩa là ϕ0 = 0 và ϕ2 = 0 Khi đó tính động học của tua bin xảy ra do tác động nhiễu M = M(t) sẽ được xác định theo các phương trình

ϕ ϕ

ϕ

−

ϕ

=

ϕ

T

T1

1

.

1

1 M 1

R R

M

ϕ

ϕ

−

=

ϕ

Phương trình đặt tính của chúng sẽ có dạng:

0 T R

1 R

1 T

1

1 1













+ +

λ

ϕ ϕ ϕ

ϕ

(4.18)

Trong điều kiện nghiệm tổng hợp của phương trỡnh (4.18) mức độ ổn định được biểu thị dưới dạng:

















+

ϕ

ϕ T1

1 T

1

2

1

Khi cỏc giỏ trị Tϕ và Rϕ 1 tăng lờn thỡ mức độ ổn định cũng tăng theo, quỏ trỡnh chuyển tiếp sẽ hội

tụ rất nhanh và chất lượng manơ của tuabin sẽ tốt hơn lờn ở cỏc điều kiện khỏc nhau như, Tϕ sẽ giảm khi mụmen quỏn tớnh J của tuabin giảm, cũn Rϕ1 giảm khi khụng gian chứa hơi của tua bin giảm

Đ2.Hệ thống tự động điều khiển và điều chỉnh tua bin hơi tàu thủy

Cũng nh với các thiết bị năng lợng khác, để đạt đợc độ tin cậy, an toàn và kinh tế trong khai thác,

đối với tua bin hơi lai chân vịt cũng đòi hỏi phải đợc tự động hoá ở mức cao nhất có thể Trên thực tế, các thông số chủ yếu cần đợc điều chỉnh

- Vòng quay của tua bin

- áp suất trong hệ thống kín hơi

- áp suất và nhiệt độ của dầu bôi trơn

2.1 Hệ thống tự động điều chỉnh và điều khiển vòng quay

Trên thực tế, hệ thống tự động điều chỉnh của tuabin chính lai chân vịt kết hợp cùng một lúc điều chỉnh nhiều thông số khác nhau và đạt đợc các mục đích sau:

- Giới hạn đợc tốc độ góc của tuabin khi phụ tải giảm, ví dụ khi chân vịt bị nổi lên mặt nớc do điều kiện thời tiết xấu

- Đóng van cấp hơi vào tua bin, khi áp suất của dầu bôi trơn trong hệ thống bị giảm suống dới giá trị quy định

- Duy trì vòng quay của tua bin ở giá trị ổn định nhất định Hệ thống tự động điều chỉnh tua bin hơi nớc lai chân vịt đợc thể hiện trên hình 4.2

Hình 4.2 Hệ thống tự động điều chỉnh và điều khiển tuabin hơi tàu thủy

a Chức năng điều chỉnh vòng quay

Khi phụ tải của tua bin thay đổi thì tốc độ quay của nó cũng thay đổi theo Giả sử khi phụ tải giảm, tốc độ quay cua tuabin tăng lên Tốc độ của bơm bánh răng 12 đợc dẫn động bởi tuabin cũng tăng lên, áp suất dầu do nó tạo ra cũng tăng áp lực của dầu tác động lên mặt dới của van trợt của 11 cũng tăng, thắng sức căng lò xo để đóng kín cửa dầu cao áp tới 11 đồng thời mở cửa xả Dầu ở khoang dới của van trợt điều

đi xuống Dầu ở khoang trên của piston trợ động 4 xả ra ngoài Dới tác động của lực lò xo, piston trợ động

sẽ đi lên đóng bớt van hơi chính tới tua bin tiến để giảm tốc độ của tuabin ứng với phụ tải mới

Liên hệ ngợc phụ cứng âm ABC sẽ quay quanh điểm A đến chừng nào nó đóng kín cửa điều khiển của 3 để xác lập 1 vị trí cân bằng mới

b Chức năng đặt vận tốc góc của tuabin lai chân vịt

Thiết bị đặt và điều khiển vòng quay của tuabin là bộ định trị 14 Hệ thống chỉ bắt đầu hoạt động khi áp suất sau bơm (12) lớn hơn 5,6KG/cm2 Giá trị áp suất này phụ thuộc vào vận tốc góc của tuabin Do vậy, khi khởi động, van tay 13 đợc sử dụng để cấp dầu từ nguồn khác tới điều khiển tuabin

Khi ta quay tay điều khiển của bộ định trị thì van trợt điều khiển của nó sẽ dịch sang phải hoặc sang trái mở to hoặc đóng bớt cửa tiết lu của dầu từ bơm 12 Giả sử khi van trợt dịch sang phải, ở cùng một giá trị vòng quay của tuabin nhng áp suất ở bên dới của cơ cấu điều chỉnh áp suất hơi 11 sẽ giảm, lực căng của lò xo phía trên sẽ đẩy van trợt điều khiển của 11 đi xuống, dầu áp lực đợc cấp vào khoang dới của van trợt 3, hệ thống sẽ họat động tơng tự nh khi tải của tuabin tăng để tăng tốc độ của động cơ

c Chức năng đảo chiều

Khi muốn đảo chiều quay của chân vịt ta ngắt hơi tới tuabin tiến và cấp hơi tới tuabin lùi Sử dụng tay quay của bộ định trị 14 dịch chuyển van trợt sang phải Khi đi qua điểm “Neutral” đờng dầu cao áp tới

điều khiển cả 2 tuabin đều đóng, dừng việc cấp hơi tới tuabin Khi van trợt điều khiển tiếp tục dịch chuyển sang phải sẽ mở đờng dầu điều khiển tới van cấp hơi cho tuabin lùi Quá trình điều khiển và điều chỉnh của tuabin lùi hoàn toàn tơng tự nh tuabin tiến

Đ3 Hệ thống tự động điều chỉnh ỏp suất ở bộ làm kớn

Nh đã biết ở bên trong phần vỏ của tuabin hơi nớc thờng có áp suất khác so với áp suất của môi tr-ờng Giá trị áp suất tại đó phụ thuộc vào loại tua bin, các thông số của hơi ở đầu vào và khu tải tức thời đối với tua bin Nh vậy rõ ràng áp suất ở đó có thể cao hơn hoặc thấp hơn so với áp suất của môi trờng và do vậy có thể gặp trờng hợp hơi xì rò ra ngoài không gian buồng máy hoặc không khí từ bên ngoài sẽ rò lọt vào trong tua bin Nhìn chung, cả hai trờng hợp nh vậy đều làm ảnh hởng tới hiệu suất có ích của tuabin Vậy nên, để duy trì đợc sự làm việc ổn định của hệ thống vòng kín hơi này, phải làm sao cho trong bất kỳ trờng hợp nào áp suất ở các nơi đó đều phải đợc duy trì ổn định

Hệ thống tự động duy trì áp suất vòng kín hơi ổn định nh đợc thể hiện trên hình 4.3 áp suất của hơi trong bầu góp 5 cần phải duy trì ở một giá trị nhất định Nếu áp suất này giảm sức căng lò xo sẽ thắng

áp lực của hộp xếp phía dới, đẩy van trợt điều khiển 1 xuống, dầu ở khoang dới của pi ston trợ động 3 sẽ xả ra ngoài Lực căng lò xo của piston trợ động 3 sẽ đẩy piston trợ động đi xuống kéo theo van trợt điều khiển của cơ cấu điều chỉnh áp suất hơi 4 đi xuống đóng đờng hơi tới bầu ngng đồng thời mở đờng hơi tới bầu góp làm tăng áp suất

Khi piston trợ động đi xuống, kéo theo liên hệ ngợc cứng âm 2 quay theo chiều kim đồng hồ Đầu bên phải của nó sẽ đi lên, làm cho van trợt điều khiển của 1 cũng đi lên để đóng kín cửa điều khiển, xác lập một trạng thái cân bằng mới

Đ4 Hệ thống tự động điều chỉnh bầu ngưng hơi

Trong hệ thống động lực tua bin hơi nớc, một trong những khâu mang tính quyết định để nâng cao tính kinh tế và an toàn của nó chính là bầu ngng Đối với bầu ngng, hai thông số phải đợc duy trì ổn định

là áp suất trong bầu ngng và mức nớc ngng Trên thực tế, cả hai thông số này đều phụ thuộc vào phụ tải

đối với tua bin, khi phụ tải thay đổi sẽ làm cho chúng thay đổi theo Chính vì vậy, muốn duy trì các thông

số áp suất và mức trong bầu ngng ổn định, nhất thiết phải trang bị hệ thống tự động

Trên hình 4.4 là một ví dụ về hệ thống tự động điều chỉnh hệ thống bầu ngng

Nớc ngng từ bầu ngng chính (1) đợc bơm nớc ngng (2) đa đến các bơm phun tia (3) và tiếp theo

đến bơm cấp (4) Chế độ làm việc của bơm nớc ngng (2) đợc duy trì bởi bộ điều chỉnh áp suất (18) Chế

độ làm việc của bơm cấp (4) đợc duy trì bởi bộ điều chỉnh vòng quay (6) Nớc cấp trớc khi bơm vào nồi hơi đợc hâm tại bầu hâm (7) và đi qua van tự động điều chỉnh (8)

Hình 4.4 Hệ thống tự động điều chỉnh bầu ngng Hơi dùng để hâm nớc cấp chính là hơi tận dụng góp phần làm tăng hiệu suất có ích của toàn bộ hệ thống Bộ điều chỉnh (10) có nhiệm vụ duy trì áp suát trong đờng ống cấp hơi hâm sấy

Để duy trì mức nớc bên trong bầu ngng, ngời ta thiết kế bộ điều chỉnh mức nớc (11) Khi mức nớc

ở trong bầu ngng bình thờng, bộ điều chỉnh (11) tác động vào các van của các đờng ống 12, 13, 14 sao cho chúng không hoạt động Khi mức nớc trong bầu ngng thấp hơn bình thờng, bộ điều chỉnh (11) lập tức

mở van thông đờng ống (13) với (12) và nớc từ két back (15) sẽ bổ xung vào cho bầu ngng Khi mức nớc ở trong bầu ngng cao hơn bình thờng, bộ điều chỉnh mức (11) sẽ mở thông đờng ống (14) và (13) qua đó

n-ớc ngng từ trong bầu ngng qua bơm (2), bơm phun tia (3) và đi ngợc trở lại két back (15)

Tại két back mức nớc không đợc tự động điều chỉnh Cho dù mức nớc ở đây có thấp nhng không gây nguy hiểm và có thể đợc bổ sung nhờ bơm cấp nớc Trong trờng hợp mức nớc quá cao, nớc sẽ theo đ-ờng ống tràn sang ngăn (17) Việc vận hành hệ thống này không mấy phức tạp và luôn đạt độ tin cậy cao