Chương 3 tua bin khí

Ống phun cố định là bộ phận phun hơi 2.Nguyên lý hoạt động: - Hơi nớc có áp suất và nhiệt độ cao khi qua ống phun sẽ giãn nở làm áp suất và nhiệt độ giảm, tốc độ lu động tăng.Thế năng →

Chơng III

Tua bin tàu thuỷ Tua bin tầu thủy là một động cơ nhiệt cú cỏnh kiểu rụ to Trong đú thế năng và động

năng của dũng hơi hay khớ xả động cơ diesel được biến đổi thành cơ năng làm quay rụ

to Loại sử dụng hơi nước của nồi hơi gọi là tua bin hơi ,loại sử dụng khớ xả của động cơ diesl gọi là tua bin khớ xả

Trên tàu thuỷ tua bin hơi và tua bin khí đợc ứng dụng theo chức năng của chúng Nguyên lý hoạt động của chúng nh nhau nên chúng ta chỉ cần xét đến nguyên lý hoạt động của một loại tua bin hơi

3-1 Nguyên lý cơ bản của tua bin hơi tàu thuỷ

I Nguyên lý làm việc của tua bin

1.ống phun

2.Cánh tua bin

3.Rô to

4.Trụctuabin

Hình 3-1:Rô to tua bin

1.Cấu tạo: Bao gồm

rô to là đĩa quay gắn với

trục quay.Trờn toàn bộ chu vi

của rụ to cú gắn các cánh cong

cụng tỏc là cỏnh động Ống phun cố định là bộ phận phun hơi

2.Nguyên lý hoạt động:

- Hơi nớc có áp suất và nhiệt độ cao khi qua ống phun sẽ giãn nở làm

áp suất và nhiệt độ giảm, tốc độ lu động tăng.(Thế năng → động năng→cơ năng )

- Dòng hơi ra khỏi ống phun có tốc độ lớn đợc thổi vào cánh công tỏc Ở đây dòng hơi đổi chiều chuyển động cong theo lòng máng của cánh công tỏc nên xuất hiện lực ly tâm

- Các phần tử hơi va đập vào lòng cánh công tác tạo nên sự chênh lệch áp lực giữa phía bụng và phía lng cánh công tác làm cho rô to 2 quay kéo theo trục 1 lắp cố định với rô to sẽ quay

Nh vậy trong tua bin hơi có 2 quá trình biến hoá năng lợng:

a) Khi qua ống phun, thế năng ban đầu của hơi (áp năng + nhiệt năng) biến thành động năng của dòng hơi bằng quá trình giãn nở trong ống

b) Khi qua rãnh cánh công tác động năng của dòng hơi biến thành công cơ học làm quay cánh cụng tỏc gắn trờn trục

Cứ một bánh tĩnh (trên đó gắn các ống phun) với một bánh động (là rô to trên đó gắn các cánh công tác) gọi là một tầng của tua bin.Tua bin có thể có nhiều tầng

II Tác dụng của dòng hơi

1 Nguyên lý tác dụng của dòng hơi

Hình 3-2: Nguyên lý tác dụng của dòng hơi

* Cho một dòng hơi có động năng lớn thổi vào một bản phẳng Dòng hơi tác dụng lên bản phẳng có 3 dạng

- Tác động đẩy vật dịch chuyển theo phơng chiều tác dụng của dòng hơi

- Tác động bắn hạt hơi bật trở lại theo mọi phơng

- Tác động va đập gây ma sát sinh nhiệt

Trong 3 dạng đó, tác dụng đẩy vật dịch chuyển là tác dụng có ích của dòng hơi biến động năng của dòng hơi thành công cơ học Tác

dụng có ích của dòng hơi tăng lên nếu hai dạng tổn thất năng lơng kia giảm đi

* Nếu ta thay đổi hình dáng bản phẳng thành mặt cong hợp lý và

đặt vị trí thổi của dòng hơi thích hợp ta sẽ giảm đợc hai dạng tổn thất và tác dụng có ích của dòng hơi tăng lên Điều này giải thích tại sao các cánh công tác của tua bin có dạng cong thích hợp

2 Nguyên tắc tác dụng xung kích (tầng xung kích)

Xét một tầng tua bin vẽ trong một cặp ống phun - cánh công tác Trong tầng xung kích hơi chỉ giãn nở trong ống phun, còn trong các rãnh cánh hơi không giãn nở do có hình rãnh cánh đợc làm đối xứng Khe hở mép vào rãnh cánh bằng khe hở mép ra khỏi rãnh cỏnh

Hình 3-3: Nguyên lý tác dụngxung kích của dòng hơi

Ở cửa vào của ốnh phun hơi có áp suất là po, tốc độ chảy là co Trong ống phun nó giãn nở áp suất giảm đến p1, còn tốc độ chảy tăng đến c1 Khi vào rãnh cánh dòng hơi biến đổi động năng thành cơ năng làm quay rô to quá trình này có áp suất không đổi p2 = p1

Tốc dộ của dũng hơi khi vào rónh cỏnh cú tốc độ c1 khi ra khỏi rónh cỏnh

cú tốc dộ c2

3 Nguyên tắc tác dụng phản kích của dũng hơi(tầng phản kích).

Trong tầng phản kích còn giãn nở trên cả các rónh cánh tạo ra tác dụng phản lực trên rãnh cánh Do đó các cánh công tác có dạng đặc biệt thờng thì có hình dáng gần nh ống phun (khe hở mép ra bé

hơn mép vào) Khi chảy qua ống phun dòng hơi giãn nở lần thứ nhất

áp suất giảm từ po đến p1 tốc độ tăng từ co đến c1 Do cấu tạo của rãnh cánh giống ống phun nên khi dòng chảy vào cánh sẽ có sự giãn nở lần thứ hai làm áp suất giảm tiếp từ p1 đến p2 động năng tăng thêm Sau khi ra khỏi rãnh cánh động năng còn lại ứng với tốc độ c2 rất nhỏ

Hình 3-4: Nguyên lý tác dụngxung kích của dòng

hơi

Sự giãn nở của dòng hơi trong các rãnh cánh gây ra gia tốc của dòng trong đó, gia tốc này tạo nên phản lực tác dụng vào cánh

Chú ý: Ở tua bin thực tế, các tầng xung kích và phản kích không hoàn toàn giống nh vậy, ở các tầng xung kích trên các rãnh cánh có hình dáng hoàn toàn không đối xứng Dòng hơi đi qua đó có giãn

nở thêm gây ra tác dụng phản kích ít nhiều trong tầng Nói chung không cấu tạo tầng xung kích hoàn toàn mà tầng xung kích thực tế

có độ phản kích từ 5 ~15%.Ở các tầng phản kích mức độ giãn nở trên cánh rất lớn, từ 40 - 60% thờng là 50% tức mức giãn nở trên cánh bằng mức giãn nở trong ống phun do vậy thay vào vị trí ống phun bằng các cánh cùng loại gọi là cánh hớng cố định

3-2 Đặc điểm và phân loại tua bin tàu thuỷ

I Đặc điểm của tua bin tàu thuỷ so với các loại động lực tàu thuỷ

1.Ưu điểm:

Động cơ tua bin tàu thuỷ có một loạt u điểm mà các động lực khác không có đợc

- Tua bin có quá trình sinh công liên tục là quá trình sinh công có lợi nhất cho các động cơ nhiệt Có thể sử dụng thông số hơi rất cao tốc độ cao Mặt khác có quá trình sinh công liên tục do đó tải trọng

cơ nhiệt đợc giữ ở chế độ ổn định không thay đổi

- Tua bin có tính kinh tế cao các chất công tác có khả năng giãn nở lớn

và giãn nở hơi đợc tận dụng triệt để (thế năng ban đầu đợc sử dụng triệt để) Tua bin hiện đại cú thụng số hơi ban đầu: po = 20 ữ 100 atm

to = 600 ữ 650 0C Giãn nở đến áp suất thải 0,05 ữ 0,03 atm

- Các chi tiết của tua bin chỉ có chuyển động quay tròn đều, không có các chuyển động tịnh tiến song phẳng do vậy động cơ làm việc êm chi phí cho ma sát rất hạn chế, giảm tổn thất cơ giới

-Tua bin có phạm vi mở rộng công suất rất lớn (có thể từ vài chục

đến vài vạn mã lực)

-Trọng lợng nhẹ thể tớch nhỏ đặc biệt phự hợp với tầu cần tốc độ cao

- Điều khiển, sử dụng dễ dàng Làm việc tin cậy, độ sẵn sàng cao, chi phí sửa chữa phục vụ ít

- Có nhiều khả năng để hiện đại hoá

2.Nhợc điểm.

- Vòng quay của tua bin quá lớn so với vòng quay thích hợp của chân vịt do vậy phải bố trí truyền đông giảm tốc

-Không có khả năng đảo chiều trực tiếp (tự đảo chiều)

- Hiệu suất chung còn thấp hơn so với động cơ diesel các động cơ diesel hiện đại: 36 ữ 42% Hệ thống tua bin tàu thuỷ: 22 ữ 26%

- Tính cơ động không cao bằng động cơ diesel

II Phân loại tua bin tàu thủy

1 Phân loại theo chức năng

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

- Tua bin phụ: Để lai các máy phụ nh máy phát điện, bơm các loại,

2 Phân loại theo nguyên lý làm việc

- Tua bin xung kích: Loại nhiều cấp tốc độ nhiều cấp ỏp lực (dùng ở vùng cao áp)

- Tua bin phản kích: Loại nhiều cấp áp lực (dùng ở vùng thấp áp, trung

áp)

- Tua bin hỗn hợ xung kích - phản kích,

3 Phân loại theo thông số hơi

- Tua bin cao áp: P0 >35 Kg /cm2

to > 4000C

- Tua bin trung áp: 6 < P0 < 35 Kg/cm2

to < 4000C

- Tua bin thấp áp: P0 < 6 Kg/cm2

4 Phân loại theo áp suất bầu ngng

- Bầu ngng áp suất d

- Bầu ngng áp suất chân không

5 Phân theo cấu tạo

- Tua bin nhiều thân: Thông thờng loại 2 thân

- Tua bin một thân: Có buồng điều áp trung gian

6 Phân theo ngng tụ và đối áp.

- Tua bin ngng tụ: Hơi nớc đợc giãn nở từ p0 đến P thải: 0,06 ữ 0,04 Kg/cm2 đợc làm ngng tụ thành nớc tuần hoàn trở lại nồi hơi

- Tua bin đối áp: Hơi thải có ỏp suất lớn hơn ỏp suất khớ quyển 1,5 -3 Kg/cm 2

không đa vào bầu ngng tụ mà đa vào các thiết bị tận dụng nhiệt (hâm nớc, sinh hoạt) rồi thải ra ngoài

7 Phân theo kiểu giãn hơi.

- Tua bin hớng trục: (phổ biến)

- Tua bin hớng tâm

8 Phân theo sự truyền động trung gian.

- Truyền động trực tiếp: Dùng để lai máy phát điện, máy phụ

- Truyền động cơ giới: Thờng là bánh răng hai cấp

- Truyền động điện

- Truyền động thuỷ lực

3-3 Một số loại tua bin chủ yếu của tàu thuỷ

I Tua bin xung kích một tầng một dãy cánh

1.Sơ đồ kết cấu.

1.Trục tua bin 4.ống phun

3.Cánh động 6.ống thoát hơi

Hình 3-5: Tua bin xung kích một tầng một dãy cánh

Phía trên hình biểu diễn các đờng biến thiên áp suất và tốc độ dòng hơi khi qua tầng tua bin

Trên chu vi của rôto (đĩa) 2 có gắn các cánh động 3 Rôto đợc lắp với trục 1 bằng then Hơi vào tua bin qua ống phun 4 gắn trên vỏ 5 của tua bin Hơi sau khi làm việc thoát ra ngoài theo ống thoát 6

2 Nguyờn lý làm việc.

Hơi chỉ giãn nở trong ống phun từ P0 (áp suất trớc ống phun) đến P1

(sau ống phun trớc cánh ) Còn trong rãnh công tác hơi không giãn nở tức là p1 = p2 , trong đó p2 là áp suất sau cánh công tác

Trong ống phun tốc độ của dũng hơi tăng từ co tới c1 ,vào cỏnh động tốc độ giảm từ c1

xuống c2 .Động năng của dũng hơi biến thành cơ năng

3.Nhợc điểm: Công suất hạn chế, hiệu suất thấp

4.Ư u điểm: Đơn giản, kích thớc gọn, làm việc chắc chắn, giá

thành rẻ nên nó thờng dùng để lai các máy móc phụ nh bơm, quạt

II Tua bin xung kích nhiều cấp tốc độ (2 dãy cánh công tác hoặc có 3 dãy cánh).

Ở tua bin một tầng, hơi từ ống phun thổi vào cánh biến đổi thành cơ năng trong một vành không triệt để vì khi ra khỏi tầng dòng hơi mang động năng ứng với tốc độ c2 còn lớn Do đó tổn thất hơi thải tăng lên làm hiệu suất của tầng giảm đi Để khắc phục điều này, Kertic đó thiết kế vành cánh sau đảm nhận biến đổi phần động năng không dùng hết ở vành cánh trớc Nó sinh công lần thứ hai mà không có

sự giãn nở trung gian Để hớng dòng hơi vào vành cánh kế tiếp, ngời ta lắp một vành cánh dẫn hớng (cố định) giữa hai vành cánh công tác gọi là cỏnh hướng

1.Kết cấu.

1.Trục tua bin 4.ống phun

3.Cánh động 6.Vỏ tua bin

Hình 3-6: Tua bin xung kích hai tầng một dãy

cánh

2.Nguyên lý hoạt động:

Hơi với áp suất po và tốc độ co vào ống phun 4 Ở đây nó giãn nở

đến p1 =p2 (p2 là áp suất sau dãy cỏnh công tác) và tốc độ tăng đến

c1, với tốc độ c1 hơi đi vào dãy cánh thứ nhất 3 gắn trên rôto 2 lắp cứng với trục 1 Ở đây hơi truyền một phần động năng để sinh công trên dãy cánh thứ nhất và đi va với tốc c2 Sau đó vào dãy cánh hớng 5 gắn cố định với thân 6 của tua bin khi qua 5 dũng hơi đổi chiều chuyển động không biến đổi năng lợng Do có mất mát năng lợng nên khi ra khỏi 5 tốc độ c,

1 < c2 Ra khỏi cánh hớng hơi đi vào dãy cánh động thứ hai gắn trên đĩa 2 Ở đây dòng hơi giảm tốc độ từ c,

1 đến c,

2 để truyền động năng cho dãy cánh sinh công Nếu tốc độ c,

2 còn lớn, có thể gắn thêm một dãy cánh công tác thứ ba nữa

3.Ư u điểm : Loại tua bin này đơn giản, gọn nhẹ, làm việc bảo

đảm, vận hành dễ

4.Khuyết điểm :Là hiệu suất thấp loại này cũng dễ dùng để lai

các máy phụ: bơm, quạt, máy nén

III Tua bin phản kích

1.Kết cấu.

Hình 3-6: Tua bin phản kích nhiềutầng

Tua bin kiểu phản kích chỉ chế tạo nhiều tầng Sự kết hợp các tầng trong tua bin này tơng tự sự kết hợp các tầng trong tua bin xung kích nhiều cấp áp lực Trên các tầng phản kích không cấu tạo các cụm ống phun mà lắp vào các vị trí đó các vành cánh đợc cố định trên thân tua bin gọi là cỏnh hướng

1.Rô to hình trống 6.Khoang hơi thải

2.Cánh động 7.Bộ làm kín

3.Cánh hớng 8.Đờng hơi vào

4.Vở tua bin 9.Piston cân bằng

5.ống nối cân bằng 10.Lỗ cân bằng

Hình 3-7: Sơ đồ tua bin phản kích nhiềutầng

2 Nguyờn lý làm việc.

Do liên hợp nhiều tầng nên làm tăng lực dọc trục tác dụng lên rôto gây chuyển động dọc trục theo chiều tác dụng của dòng hơi để giảm bớt tác dụng của lực này các bánh động và trục đựơc làm thành khối hình tang trống Để cân bằng lực dọc trục ở đầu rôto có cấu tạo piston cân bằng 9 Không gian giữa piston và thân máy đợc thông với khoang hơi thải 6 bằng các lỗ cân bằng 10 khoét trên thành tang trống của rôto đồng thời nhờ ống nối cõn bằng 5 mà áp suất ở khoang vào và

ra cân bằng nhau Trên đầu piston 8 làm một vòng gờ lồi lên phía trên Hơi đợc dẫn vào tua bin nén lên piston một lực ứng với áp suất po

làm rôto cũng bị đẩy trái ngợc với chiều lu động của dòng hơi làm rôto cũng bị đẩy sang trái nên cân bằng với lực dọc trục Bộ làm kín

7 chóng rò lọt hơi

Dũng hơi ban đầu cú ỏp suất po khi qua mỗi tầng cỏnh động và cỏnh hướng ỏp suất lại giảm dần khi ra khỏi tua bin cũn ỏp suất pn

Dũng hơi ban đầu cú tốc độ co khi qua mỗi tầng cỏnh động tốc độ giảm ,khi vào cỏnh hướng thỡ tốc độ lại tăng lờn khi ra khỏi tua bin cũn tốc độ cn

IV Tua bin hỗn hợp.

Thực tế trờn tầu thủy cũn sử dụng cỏc loại tua bin hỗn hợp sau

1.ống góp hơi 5.Đờng hơi thải

2.Bộ làm kín 6.Trục rô to

3.Cánh tĩnh 7.Bệ đỡ

4.Cánh động

Hình 3-8: Tua bin hỗn hợp phản kích nhiềutầng

1.Kiểu xung kích hỗn hợp nhiều cấp tốc độ với nhiều cấp áp lực

2.Kiểu hỗn hợp xung kích và phản kích

3- 4 Các hệ thống phục vụ tua bin tàu thuỷ

I Hệ thống an toàn và bảo vệ tua bin chính

Dùng để đảm bảo tính an toàn công tác cho tổ hợp tua bin - bánh răng của hệ động lực tua bin

Các thông số sau đây cần đợc kiểm soát, bảo vệ

1.Sự giảm áp suất dầu bôi trơn ≤ 0,75 Kg/cm2

2.Sự giảm độ chân không trong bầu ngng đến 550 mm/Hg

3.Sự tăng độ dịch dọc trục của tua bin ≥ 1,00 mm

4.Sự tăng vòng quay rôto quá định mức 10 ~14%

II Hệ thống dầu nhờn bôi trơn tua bin.

Có 2 loại hệ thống dầu nhờn

1.Hệ thống tuần hoàn dầu bôi trơn do các bơm dầu

2.Hệ thống tuần hoàn dầu bôi trơn do các bơm dầu và kột các cột áp

III Hệ thống bao và hút hơi (HT làm kín)

1 2 3 4 5 6

7

Có nhiệm vụ làm kín bằng cách dựng một nguồn hơi có thông số thấp cấp tới bộ làm kín để bao bộ làm kín

IV Hệ thống sấy nóng tua bin.

Dùng để sáy nóng đồng đều tua bin trớc khi khởi động tránh sự chênh lệch nhiệt độ quá lớn làm cong vờnh ro to

V Hệ thốn xả nớc đọng của TB

Dùng để xả phần hơi ngng tụ trong thõn tua bin khi sấy tua bin cũng

nh ở một số chế độ công tác

VI Hệ thống điều chỉnh công suất tua bin

Dùng để tăng giảm công suất ==> tăng giảm vận tốc quay==> tăng giảm vận tốc tàu

3-5.Khai thác vận hành tua bin hơi Việc khai thác và bảo dỡng phải theo đúng các quy tắc kỹ thuật theo tài liệu hớng dẫn cụ thể

Khai thác hệ động lực tua bin có thể chia thành các giai đoạn chính sau:

- Chuẩn bị cho các tua bin vào hoạt động

- Vận hành tua bin khi tàu chạy

- Dừng tua bin và làm khô tua bin

1.Chuẩn bị chung cho hệ động lực TB:

Gồm chuẩn bị buồng nồi hơi, đờng dẫn ống hơi sấy và các hệ thống phục vụ

- Chuẩn bị các thiết bị chỉ báo, độ giãn nở dọc trục và hớng kính của rôto, các áp kế, nhiệt kế, các trị số về khe hở

- Nới lỏng rồi đóng lại ngay các van trên đường ống hơi chính tới TB

- Kiểm tra rồi đa hệ thống dầu bôi trơn vào công tác

- Via trục cho cả 2 hành trình tiến và lùi

- Chuẩn bị thiết bị ngng hơi

- Kiểm tra các van ma nơ - van đóng nhanh (vẫn ở trạng thái đóng chặt) van ống phun

- Chuẩn bị hệ đường ống dẫn hơi và hệ thống điều khiển

- Sấy nóng đờng ống dẫn hơi

- Sấy nóng đều đặn tua bin trớc khi khởi động

2.Khởi động tua bin

Sau giai đoạn chuẩn bị, kiểm tra, sấy nóng tua bin thì tiến hành khởi động tua bin

- Việc khởi động đợc tiến hành bằng cách mở từ từ van manơ, dần dần tăng vòng quay đến giá trị cần thiết