Giáo trình Trang bị động lực

LỜI NÓI ĐẦU. -Môn học “ TRANG BỊ ĐỘNG LỰC “đã giúp Sinh Viên ngành Kỹ Thuật của trường ĐẠI HỌC NHA TRANG nói chung và đặc biệt là ngành Máy những kiến thức cơ bản về thiết bị năng lượng Tàu Thủy cũng như cung cấp cho Sinh Viên cơ sở cho việc nghiên cứu , chuyên sâu sau này. -Để môn học đạt hiệu quả cao hơn thầy giáo – giảng viên của chúng tôi Thạc Sỹ Nguyễn Đình Long đã đưa ra những đề tài nhỏ cho từng nhóm sinh viên lựa chọn nghiên cứu , thảo luận và báo cáo . Nhằm nâng cao kỹ năng , sáng tạo và phong cách làm việc theo khoa học cho sinh viên . Giúp sinh viên khắc sâu phần kiến thức của đề tàimà mính đảm nhiệm . -Thông qua sự giảng dạy , hướng dẫn cua thầy giáo và trình độ nhận thức , tiếp thu tôi quyết định chọn đề tài : “CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TUABIN HƠI TRÊN TÀU THỦY “ để nghiên cứu , thảo luận , báo cáo. Nha Trang, ngày 20 tháng 12 năm 2009. THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG TUABIN HƠI 1- Đặc điểm thiết bị năng lượng tuabin hơi: - Động cơ chính là tuabin hơi. Ở đó, môi chất công tác tuần hoàn không ngừng theo vòng kín, và có sự thay đổi trạng thái. - Ngoài những đặc điểm chung của thiết bị tuabin, 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 + Nhiệt độ của chu trình thấp, do đó hiệu suất nhiệt thấp. + 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 chế tạo. + Thiết bị động lực cần có thiết bị dự trữ nước, vận chuyển và các thiết bị phụ khác phức tạp + Kích thước và khối lượng lớn. + Nồi hơi phải đốt liên tục, hơi nước có áp suất và nhiệt độ cao, rất nguy hiểm cho người vận hành. + 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 tuabun hơi: -Nước trong nồi hơi nhận nhiệt từ khí lò biến thành hơi bão hòa, rồi hơi quá nhiệt trong bộ sấy hơi. -Hơi sấy có thông số cao được đưa đến tuabin.Tại đây, hơi được bố trí để giãn nở sinh công. -Hơi nước ra khỏi tuabin được đưa đến bình ngưng để ngưng tụ thành nước. -Nước sau khi ngưng tụ được bơm cấp trở lại nồi hơi để thực hiện vòng tuần hoàn tiếp theo. 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. b) Hình 1- Nồi hơi a) Cấu tạo; b) Hình dạng nồi hơi a) b) Hình 2- Cấu tạo tuabin hơi a) Tổ hợp tuabin hơi b) Các dãy cánh công tác 4-Nguyên lý hoạt động tuabin hơi: a. Nguyên lý tác dụng của dòng hơi và đặc tính tầng của tuabin xung kích. - Cho một dòng hơi có động năng lớn thổi vào một bản phẳng dòng hơi tác dụng lên bản phẳng với ba dạng : đẩy vật dịch chuyển theo phương chiều tác dụng của dòng hơi – ma sát sinh nhiệt tại chỗ của (dòng hơi) hạt hơi và bản phẳng bắn hạt hơi bật trở lại theo mọi phương (Hình 4). Hình 3:Biểu đồ phác họa cho thấy sự khác biệt giữa một tuabin xung lực và tua bin phản lực. Hình 4 : Tác dụng xung kích biến đổi động năng thành cơ năng. -Trong ba dạng đó tác dụng đẩy 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 ta được công có ích tác dụng có ích của dòng hơi tăng lên nếu hai dạng tổn thất năng lượng kia giảm đi. Hình 5: Nguyên lý tác dụng xung lực của hạt hơi có khối lượng chuyển  động lên cánh. -Nếu ta thay đổi hình dạng bản phẳng thành mặt cong hợp lý và vị trí thổi của dòng hơi thích hợp ta sẽ giảm được hai dạng tổn thất đó và tác dụng của dòng hơi tăng lên. Để giải thích tác dụng của dòng hơi lên cánh ta khảo sát dòng chảy trong cánh bán nguyệt (Hình 5). -Khi dòng chảy dọc theo bề mặt cánh các hạt hơi ở a,b,c hay bất kỳ điểm nào trên cánh đều xuất hiện lực ly tâm P tác dụng lên cánh. Lực này được phân tích thành hai lực thành phần : Pa hướng vuông góc với phương dòng chảy và Pu hướng trùng với hướng dòng chảy. Các thành phần Pa đối xứng nhau sẽ triệt tiêu nhau không ảnh hưởng đến sự chuyển động của cánh. Các thành phần Pu tổng hợp thành lực làm dịch chuyển cánh theo phương tác dụng thực hiện công cơ học . Động năng của dòng hơi càng lớn và cánh càng cong thì tác dụng xung kích của dòng hơi càng lớn. Trên thực tế các Prophin của các cánh tuabin không phải hình bán nguyệt phương của dòng hơi không trùng với phương chuyển động của bánh công tác. Tuy có sự khác nhau như vậy song nguyên tắc tác dụng của dòng hơi trên cánh không thay đổi. -Để tạo ra động năng cho dòng hơi phía trước dãy cánh được bố trí bộ phận phun hơi gọi là ống phun. Trong ống phun dòng hơi có thế năng ban đầu giãn nở áp suất giảm, tốc độ lưu động tăng. Thế năng của dòng hơi được biến đổi thành động năng khi ra khỏi ống phun được thổi vào (dãy cánh) rãnh cánh. Các cánh được gắn trên đĩa gọi là bánh động, đĩa này được gắn trên trục máy. Toàn bộ khối chi tiết được gắn với nhau được gọi là rô to. Khi lưu động dòng hơi từ cửa vào của ống phun đến mép ra của rãnh cánh dòng hơi đã được thực hiện một dòng hơi hoàn chỉnh. Một cụm bao gồm ống phun và vành cánh như vậy là một tầng xung kích của tuabin (Hình 6). -Biểu diễn sơ đồ của một tầng xung kích. Phía trên là đồ thị thay đổi áp suất và vận tốc tuyệt đối của dòng hơi đi qua tầng. Ở cửa vào của ống phun 1 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 chảy vào rãnh cánh dòng hơi biến đổi động năng thành cơ năng làm quay rô to quá trình này áp suất không đổi P2 = P1 còn tốc độ giảm xuống C2. Dòng hơi ra khỏi rãnh cánh còn động năng nhỏ ứng với tốc độ C2. -Trong tầng xung kích như trên hơi chỉ giãn nở trong ống phun, trên các cánh rãnh hơi không giãn nở do đó hình rãnh cánh được làm đối xứng. Khe hở mép vào rãnh cánh bằng khe hở mép ra của rãnh. Hình 6: Sơ đồ tầng xung kích b. Nguyên tắc tác dụng phản kích của dòng hơi và đặc tính tầng phản kích. -Khác với tầng xung kích, rô to của tầng phản kích quay được không chỉ dựa vào tác dụng xung kích của dòng hơi lên cánh mà còn nhờ tác dụng phản lực của dòng hơi lên cánh. Tác dụng phản lực sinh ra khi hơi giãn nở trên rãnh cánh. -Nguyên tắc tác dụng phản kích  của dòng hơi trên cánh được biểu diễn trên ( hình 7). Hình  7 : Sơ đồ tầng phản kích -Khi chảy qua ống phun 1 dòng hơi giãn nở lần thứ nhất áp suất giảm từ P0 xuống P1 ; tốc độ tăng từ C0 đến C1. Các cánh 2 có Prophin đặc biệt sao cho các  rãnh cánh cũng có hình dáng gần giống như ống phun. Khi dòng chảy vào cánh sẽ xảy ra sự giãn nở lần thứ hai 2 làm áp suất giảm tiếp từ P1 xuống P2 động năng tăng thêm. Cùng với quá trình giảm lần hai động năng cả hai lần gãn nở được biến đổi thành cơ năng. Sau vành cánh động năng còn lại ứng với tốc độ C2 rất nhỏ. 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 lên Prophin cánh. c. Nguyên lý hoạt động tuabin hơi : -Từ nguyên lý tác dụng của dòng hơi người ta đã chế tạo nên nhiều dạng tuabin khác nhau và (Hình 8 ) là sơ đồ nguyên lý đơn giản nhất của một tuabin xung kích. Nguyên lý làm việc như sau: sau khi ra khỏi bộ qúa nhiệt của lò hơi, hơi được đưa qua van điều chỉnh vào tuabin. Để biến nhiệt năng của dòng hơi thành động năng, người ta cho dòng hơi đi qua các rãnh có hình dáng đặc biệt, gọi là ống phun. Khi đi qua ống phun, áp suất và nhiệt độ dòng hơi giảm xuống, tốc độ dòng hơi tăng lên đến C1, nhiệt năng biến thành động năng. Ra khỏi ống phun, dòng hơi có động năng lớn đi vào cánh động, khi dòng hơi ngoặt hướng theo các rãnh cong của cánh động, sẽ sinh ra một lực ly tâm tác dụng lên cánh động, biến động năng của dòng hơi thành công đẩy cánh động quay . - Ra khỏi ống phun, dòng hơi có động năng lớn đi vào cánh động, khi dòng hơi ngoặt hướng theo các rãnh cong của cánh động, sẽ sinh ra một lực ly tâm tác dụng lên cánh động, biến động năng của dòng hơi thành công đẩy cánh động quay . Hình 8 : Sơ đồ nguyên lý họat động của tuabin hơi 5- Các thông số cơ bản của tuabin hơi :gồm có tốc độ quay, công suất, suất tiêu hao hơi và hiệu suất. 6- Đặc tính của tuabin hơi: Đặc tính tải – tốc độ của tuabin thể hiện sự phụ thuộc Ne = f(n) ở mức chi phí hơi D nhất định 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. Khả năng tuabin gia tăng mômen cùng với sự giảm tốc độ quay đảm bảo cho nó có được chất lượng cơ động cao. 7- Ưu nhược điểm của TBNL tuabin hơi: - Công suất lớn, có thể đạt trên 100.000 mã lực - Có hiệu suất he tăng theo công suất Ne; - 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. + Hiệu suất he thấp do mất mát nhiệt quá lớn do gia nhiệt gián tiếp, sự chuyển trạng trái liên tục của môi chất công tác; + Tốc độ quay lớn nên thiết bị truyền động cồng kềnh; + 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 [he = (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. 8- 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 và đảm bảo việc cấp nước vào nồi hơi. (2)- Hệ thống làm mát tuần hoàn Hệ thống làm mát được dùng trong việc làm ngưng tụ hơi trong các bình ngưng và làm mát dầu trong các bình làm mát dầu. (3)- Hệ thống bôi trơn (4)- Hệ thống nhiên liệu Đối với thiết bị có nồi hơi dùng nhiên liệu lỏng thì hệ thống gồm các két dự trữ, đường ống, lọc, bơm chuyển, (5)- Hệ thống cấp không khí cho nồi hơi (7)- Hệ thống an toàn và bảo vệ tuabin (8)- Hệ thống làm kín và hút hơi (9)- Hệ thống sấy nóng tuabin (10)- Hệ thống xả dùng để xả phần nước đọng do ngưng tụ trong các khoang của tuabin (11)- Hệ thống điều chỉnh tốc độ quay và công suất Hình9: Tuabin Hơi Công Suất 220kw. Tài liệu tham khảo. Nguyễn Đình Long: +Thiết Bị Năng Lượng Tàu thủy. Trang Web: +Www.suachuacokhi.blogspot.com.