CHƯƠNG 1. KẾT CẤU TUA BIN KHÍ TÀU THỦY

Hình 1.3. Sơ đồ 1 cấp nén và sự thay đổi thông số trạng thái không khí qua 1 cấp

nén của máy nén hướng trục.

1- Cánh hướng không khí vào máy nén; 2- Cánh công tác; 3- Cánh hướng

1.1.2. Máy nén ly tâm.

Ở máy nén ly tâm, tăng áp suất cho không khí sử dụng hiệu quả ly tâm, bằng cách này

áp suất không khí tăng gấp nhiều lần so với máy nén hướng trục. Máy nén ly tâm có

ưu điểm kết cấu đơn giản, số lượng chi tiết nhỏ, mức độ nhạy cảm khi thay đổi điều

kiện làm việc nhỏ hơn so với máy nén hướng trục.



60



Hình 1.3. Máy nén ly tâm hai cấp của động cơ Rolls – Royce Dart

1- Cánh hướng không khí vào máy nén; 2- Cánh công tác; 3- Ống khuếch tán không

có cánh; 4- Đĩa khuếch tán; 5- Ống xả

Một cấp nén của máy nén ly tâm cấu tạo từ cánh hướng không khí vào 1,

cánh công tác 2 và cửa ra gồm ông khuếch tán không có cánh 3, đĩa khuếch tán 4,

ống xả 5. Cánh công tác quay được dẫn động từ tuabin, năng lượng cơ học chuyển

thành thế năng và động năng của dòng không khí. Sự biến đổi năng lượng thực

hiện trên cánh công tác nhờ tác động khí động lực học giữa dòng khí với chuyển

động quay của cánh công tác. Dòng không khí bị cuốn theo chuyển động xoay.

Mặc dù vậy để giảm các tổn thất của dòng không khí cần có tác động làm giảm tốc

độ tương đối của dòng không khí, dòng khí tại lớp biên có thể gần tới vận tốc âm

thanh, thậm chí lớn hơn tốc độ âm thanh.

Theo kết cấu của bánh cánh công tác có thể chia ra các dạng sau:

- Kiểu hở ( Hình 1.4a)

- Kiểu kín ( Hình 1.4b)

- Kiểu nửa hở ( Hình 1.4c)

Bánh cánh công tác dạng hở cấu tạo từ phần ống lót 1 và trên đó cố định các

cánh công tác 2 để tạo ra những rãnh cánh ở cả hai phía của cánh công tác và được

giới hạn bằng chính phần vỏ cố định của máy nén. Bánh cánh dạng hở là một dạng

bánh cánh có ít tính kinh tế do tổn thất lớn, không khí tràn qua đầu mút cánh công

tác do khe hở lớn giữa cánh công tác và vỏ máy nén. Dạng cánh này chủ yếu ứng

dụng cho một số loại quạt gió hay thiết bị hút khói.



61



Hình 1.4. Dạng cánh công tác

a- Dạng hở; b- Dạng kín; c- Dạng nửa hở

1- Ống lót; 2- Cánh công tác; 3- Đĩa bao.

Ở bánh cánh công tác dạng kín, cánh công tác 1 với hai đầu mút được gắn

cố định lên đĩa 2 và 3, một trong hai đĩa là đĩa bao. Ở bánh cánh kín cả hai đầu mút

của cánh công tác đều kín để không khí không thể tràn qua phần đầu mút cánh.

62



Dòng khí trong cánh cách ly hoàn toàn với tác động của phần khí nằm ở khe hở giữa

cánh công tác và vỏ. Vì thế dạng bánh cánh kín có tính kinh tế cao nhất và được

ứng dụng trong hầu hết các máy nén ly tâm cố định. Cánh công tác kín thường bố

trí đồng tâm với đĩa chính còn đĩa bao gắn cố định bằng bulong hoặc hàn.

Ở bánh cánh nửa hở, cánh công tác một đâu gắn cố định với đĩa còn đầu còn

lại giống như bánh cánh hở. Thông thường phần cánh công tác nửa hở cũng được bố

trí đồng tâm với đĩa. Dạng bánh cánh nửa hở nếu xét về tính kinh tế thì nằm giữa so

với hai dạng bánh cánh trên, nhưng xét trên quan điểm độ bền cơ học thì cánh công

tác dạng nửa hở bền nhất bởi vì việc bố trí thêm đĩa bao làm tắng ứng suất lên toàn

bộ các phần đĩa chính.

Máy nén ly tâm có thể một hướng và cũng có thể cả hai hướng. Ở máy nén

một hướng không khí vào cánh công tác qua thiết bị cánh hướng cố định dạng

hướng trục. Còn với máy nén hai hướng thì cánh hướng không khí vào dạng vòng,

trên đó có gắn các mặt phẳng hình xuyến.

Nhược điểm của máy nén ly tâm là hiệu suất thấp do tiết diện đường không

khí vào nhỏ, gặp khó khăn khi chế tạo máy nén nhiều cấp vì sau khi ra khỏi cấp nén

trước muốn hướng vào cấp nén tiếp theo cần có ống ngược hình vòng phức tạp.

1.1.3. Máy nén hỗn hợp hướng trục – ly tâm.

Máy nén hướng trục – ly tâm là dạng máy nén hỗn hợp hiệu suất vào

khoảng 83%, phần hướng trục bố trí trong 5÷7 cấp nén đầu và cấp nén cuối là cấp nén

ly tâm ( Hình 1.5). Dạng máy nén hỗn hợp này có thể làm giảm hiệu suất chung so với

máy nén hướng trục có cùng hệ số nén nhưng không đáng kể, ưu thế của dạng máy

nén này là giảm chiều dài và khối lượng.



Hình 1.5. Máy nén hỗn hợp hướng trục – ly tâm động cơ Honeywell T53

63



1- Cấp nén hướng trục; 2- Cấp nén ly tâm.

1.2 Kết cấu buồng đốt tua bin khí.

Buồng đốt của tuabin khí là nơi xảy ra quá trình cháy của nhiên liệu trong môi

trường không khí nén tạo thành dòng khí cháy có nhiệt độ xác định.Hóa năng của nhiên

liệu chuyển thành nhiệt năng thông qua quá trình cháy, khi đó nhiệt độ của chất công tác

tăng mạnh so với nhiệt độ không khí sau máy nén vào tuabin. Buồng đốt tuabin khí cần

đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật chung của một động cơ nhiệt và các yêu cầu về khác như:

kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhỏ, cháy hoàn toàn nhiên liệu ở mọi chế độ làm việc,

không bám muội lên các thiết bị buồng đốt….

Cấu tạo buồng đốt rất đa dạng, một buồng đốt đơn giản thể hiện trên hình 1.6.



Hình 1.6. Sơ đồ phân phối khí trong buồng đốt.

1. Ống khuếch tán; 2- Rãnh vòng; 3- Thân buồng đốt; 4- Ống lửa; 5 – Lỗ của khoang

thứ nhất; 6 – Lỗ của khoang thứ hai; 7- Lỗ làm mát; 8- Vòi phun nhiên liệu; 9Thiết bị đánh lửa.



Hình 1.7. Sơ đồ làm việc của buồng đốt.

64



1- Cánh tạo xoáy lốc; 2 Vòi phun; 3- Thiết bị đánh lửa; 4- Vỏ; 5- Ống lửa; 6Ống hòa trộn; 7- Ống khuếch tán; I- Khoang gió thứ nhất; II- Khoang gió thứ

hai.



Hình 1.8. Mô hình dòng không khí và sự cháy trong buồng đốt.

Không khí cấp vào buồng đốt từ máy nén có tốc độ cao – động cơ hiện nay

khoảng 150m/s. Để giảm tổn thất về áp suất và tăng áp suất thì cần giảm đáng kể vận tốc

của không khí sau máy nén. Vì thế ở tuabin khí sau máy nén luôn bố trí ống khuếch tán 1

( Hình 1.7). Tiếp đó không khí đi vào rãnh vòng giữa vỏ buồng đốt 3 và ống lửa 4. Trong

ống cháy không khí được chia theo các lỗ ở hai vùng – vùng cháy 5 ( vùng thứ nhất) và

vùng hòa trộn 6. Ngoài ra không khí còn đi qua lỗ 7 để làm mát cho thành ống cháy.

Nhiên liệu cấp vào ống cháy qua vòi phun 8. Khi khởi động tuabin, nhiên liệu cháy trong

buồng đốt nhờ thiết bị đánh lửa bằng điện 9.

Tuần hoàn không khí trong vùng thứ nhất tạo điều kiện cho quá trình cháy ổn định

và hiệu quả. Tỉ lệ nhiên liệu và không khí ở vùng thứ nhất là yếu tố quan trọng ảnh hưởng

đến quá trình cháy và đặc tính làm việc của buồng đốt. Để quá trình cháy bền vững ở các

chế độ làm việc của động cơ ở khoang thứ nhất chỉ cấp một phần không khí, phụ thuộc

vào phương thức cháy mà lượng không khí đó có thể thay đổi. Hình 2.1 cho thấy tỉ lệ

phân phối không khí trong một buồng đốt điển hình, ở đó 20% không khí đi vào khoang

thứ nhất, 80% đi vào ống cháy ( 20% vào vùng cháy, 20% vào vùng hòa trộn và 40% làm

mát thành buồng đốt. Có một số trường hợp vùng cháy chia làm hai – vùng tuần hoàn và

vùng cháy hoàn toàn.

Ống khuếch tán – để giảm vận tốc không khí vào buồng đốt từ máy nén giảm

xuống đến khoảng 50-80m/s

Cánh xoáy lốc – để đưa không khí vào vùng cháy thứ nhất và tạo thành dòng

không khí xoáy lốc, giúp cho quá trình hòa trộn với nhiên liệu tốt hơn.

Ống lửa – dùng để ngăn, tạo thành không gian cháy của buồng đốt và chịu nhiệt

Thiết bị phun nhiên liệu – phun nhiên liệu liên tục vào trong ống lửa buồng đốt, vòi

phun dưới dạng một vòi phun với hiệu quả ly tâm làm dòng dầu chuyển động xoáy, đảm

65



bảo độ sương mịn. Để làm mát vòi phun khỏi bị cháy thì trên đầu có mũ chụp và làm mát

bằng không khí.

Thiết bị đánh lửa - để đốt cháy nhiên liệu khi khởi động tua bin khí.

Buồng đốt tua bin khí có thể phân loại theo các cách sau:

• Theo hướng cấp nhiên liệu:

- cấp nhiên liệu cùng chiêu với dòng không khí

- cấp nhiên liệu ngược dòng với dòng không khí

•

•

-



Theo hướng chuyển động của dòng không khí

Theo một hướng

Ngược chiều

Chuyển động xoay

Theo phương pháp phun nhiên liệu

Phun nhiên liệu bằng vòi phun ly tâm với áp lực cao

Phun nhiên liệu bằng khí nén

Phun nhiên nhiệu với áp lực thấp có dùng thiết bị hóa hơi

Phun nhiên liệu qua rãnh vòng.



Dạng buồng đốt phổ biến nhất của tuabin khí là: buồng đốt dạng ống, dạng ống vòng và dạng vòng.

a) Buồng đốt dạng ống.



Hình 1.9. Buồng đốt dạng ống hãng Rolls- Royce.

1- Thân trong động cơ; 2 – Vỏ; 3- Bích nối với máy nén; 4- Khớp nối; 5- Ống xả

nước; 6- Vách ngăn cháy ngược; 7- Vòi phun; 8,9- Khoang 1 và 2; 10- Ống

khuếch tán; 11- Thiết bị gom không khí.

Ở buồng đốt dạng ống các ống cháy có thân riêng và tạo thành từng buồng đốt

riêng rẽ.Hình 1.9 là buồng đốt dạng ống với 8 buồng đốt riêng biệt phân bố xung quanh

66



thân 1 của động cơ. Các buồng đốt riêng rẽ này nối với máy nén qua bích nối 3. Thân của

từng buồng đốt và ống lửa liên kết với khớp nối 4 để cân bằng áp suất giữa các ống lửa.

Ngoài ra, thân của các buồng đốt nối thống với nhau bằng ống xả 5 để xả dầu trong

trường hợp động cơ khởi động không thành công. Phần tiết diện phía trước buồng đốt có

nhiệt độ thấp được bố trí hệ thống nhiên liệu. Nhiên liệu phun vào trong buồng đốt qua

vòi phun 7. Dầu cấp tới vòi phun qua khoang 8 và 9. Tại cửa vào buồng đốt bố trí ống

khuếch tán 10. Không khí qua cửa nạp 5 cấp vào khoang thứ nhất của ống lửa, không khí

tạo thành dòng xoáy lốc để dễ dàng hòa trộn với nhiên liệu. Sản phẩm cháy ra khỏi ống

lửa được đưa vào ống góp 1 rồi đưa vào cụm ống phun của tua bin.



Hình 1.10. Một buồng đốt dạng ống.

1- Ống lửa; 2- Vòi phun; 3- Bộ xoáy lốc; 4- Thiết bị treo ống lửa; 5- Gió cấp 1; 6 –

Màng; 7- Lỗ vùng thức nhất; 8- Lỗ vùng hòa trộn; 9- Hệ thống làm mát; 10- Vòng

làm kín; 11- Vỏ; 12- Bích nối với máy nén; 13- Ống khếch tán;



67



Hình 1.11. Các ống lửa buồng đốt

b) Buồng đốt dạng ống - vòng.



Hình 1.12. Buồng đốt dạng ống – vòng động cơ PC-90A.

1- Vỏ ngoài buồng đốt; 2- Vỏ trong buồng đốt; 3- Ống lửa; 4- Vòng ngoài ống góp

khí; 5- Vòng trong ống góp khí; 6- Cột chịu lực; 7- Vòng ngoài ống khuếch tán; 8Vòng trong ống khuếch tán; 9- Khoang lọc khí; 10- Bích lọc khí; 11- Vòi phun;

12- Khoang chứa dầu vòng 1; 12- Khoang chứa dầu vòng 2; 14- Đường cấp dầu

tới vòi phun; 15- Nến đánh lửa; 16- Ống; 17- Khớp nối;18- Thiết bị treo ống

lửa;19- Lỗ vùng thứ nhất; 20- Lỗ vùng hòa trộn; 21- Khung đỡ buông

Phụ thuộc vào hướng chuyển động của dòng khí qua buồng đốt ta có thể

chia buồng đốt ra thành cùng chiều và ngược chiều ( dòng khí có sự thay đổi

hướng chuyển động). Hình 1.12 biểu diễn một buồng đốt ngược chiều của hãng

Rolls – Royce. Không khí vào máy nén khí qua ống 1 vào khoảng không gian giữa

vỏ 2 và ống lửa 3, sau đó đi vào qua tấm chắn 4, cánh xoáy lốc 5, ống 6 và lỗ 7 vào

trong ống lửa. Nhiên liệu phun vào buồng đốt qua vòi phun 8. Quá trình cháy diễn

ra trong buồng đốt và phần khí cháy qua đường ống 9 dẫn vào tuabin. Ở buồng đốt

ngược dòng xảy ra sự đổi hướng của dòng khí sẽ làm tăng tổn thất áp suất và

thường sử dụng cho những động cơ bị giới hạn về chiều dài.



68



Hình 1.13. Buồng đốt ngược dòng.

1- Không khí từ máy nén; 2- Vỏ buồng đốt; 3- Ống lửa; 4- Tấm chặn; 5- Thiết bị

xoáy lốc; 6- Ống nối; 7- Lỗ vùng hòa trộn; 8- Vòi phun; 9- Ống dẫn sản phẩm

cháy.



1.3. Kết cấu tua bin.

Ngày ngay tuabin chính thường là những tuabin hướng trục với một, hai hay nhiều

tầng, có làm mát và không làm mát cánh động.

Kết cấu các phần của tuabin khí phụ thuộc vào điều kiện làm việc đặc biệt:

-



-



Nhiệt độ của khí bắt đầu vào phần tuabin cao nên tại cửa vào sử dụng vật liệu chịu

nhiệt và các phương pháp làm mát cánh động và bánh động tua bin;

Áp suất dòng khí qua các tầng cánh ít thay đổi, tăng không đáng kể trong khi giãn

nở dẫn đến các chiều cao của các tầng cánh công tác ít thay đổi từ tầng đầu tiên

đến tầng cuối cùng;

Tổn thất do truyền nhiệt không đáng kể ( nhỏ hơn 3÷5 lần so với tuabin hơi) do số

tầng cánh ít, chiều dài tuabin rút ngắn.

Để tăng hiệu suất của tuabin khí thì trong quá trình khai thác cần phải thận trọng

hơn so với tuabin hơi;

Tuabin hơi gồm các bộ phận chính sau: roto, cánh động, cánh hướng, thân, bộ

phận làm kín và ở đỡ.



69



Hình 1.14. Trục roto của tua bin khí

a- Roto với đĩa chìa ra ngoài

b- Roto dạng tang trống

c- Roto đĩa chìa có đĩa gắn trên trục

d- Roto dạng đĩa.

Trục roto của tuabin khí có thế làm dạng đĩa, tang trống hay kết hợp giữa

hai dạng trên. Roto dạng đĩa phổ biến hơn, cấu tạo từ các đĩa gắn trên trục và trên

các đĩa đó cố định cánh động. ( Hình 1.14)

Khi tuabin làm việc các chi tiết của trục roto đều chịu các ứng suất nhiệt và

cơ đáng kể, xuất hiện lực ly tâm do khối lượng phần bánh động và cánh động, lực

tác dụng của dòng khí theo hướng dọc trục roto, phân bố nhiệt không đều theo bán

kính và bề dày bánh động. Ứng suất cơ lớn nhất khi tuabin làm việc ở chế độ định

mức. Ứng suất nhiệt lớn nhất khi khởi động, dừng hay khởi động không thành

công tuabin hay khi chuyển chế độ làm việc.

Cánh động tuabin cấu tạo từ hai phần: chân cánh và cánh. Với mục đích

tăng sức bền rung thường sử dụng đai đỉnh cánh, phía trên có bố trí phần làm kín

kiểu khuất khúc. Làm kín kiểu khuất khúc làm giảm lượng khí chảy qua các tầng

cánh làm tăng hiệu suất của tuabin. Để đảm bảo tính cân bằng độ dày cánh động

giảm từ chân cánh đến đỉnh cánh.

Phần chân cánh là bộ phận chịu tải lớn nhất ở tuabin khí và thường chế tạo

dạng cây thông như hình vẽ. Ở chu trình nhiệt động với nhiệt độ khí cháy cao sử

dụng cánh động có làm mát bằng khí.



70