nghiên cứu đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ tua bin khí sử dụng trên các tàu thuỷ ở việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG


LƯU MINH HẢI



NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHỈ TIÊU AN TOÀN
CỦA ĐỘNG CƠ TUA BIN KHÍ SỬ DỤNG TRÊN
CÁC TÀU THUỶ Ở VIỆT NAM





LUẬN VĂN THẠC SĨ





Khánh Hoà - 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

LƯU MINH HẢI

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHỈ TIÊU AN TOÀN
CỦA ĐỘNG CƠ TUA BIN KHÍ SỬ DỤNG TRÊN
CÁC TÀU THUỶ Ở VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 60 52 01 16


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN TRUNG HẢI



Khánh Hoà - 2013
i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên Lưu Minh Hải, học viên lớp Cao học Kỹ thuật Tàu thuỷ - Trường
Đại học Nha Trang, niên khoá 2011 – 2013, xin cam đoan:
Mọi tài liệu, số liệu dùng tính toán, dẫn chứng trong luận văn này là trung
thực, chính xác, không vi phạm pháp luật.
Đề tài luận văn này do chính tôi trực tiếp thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa
học của TS. Nguyễn Trung Hải.

LƯU MINH HẢI













ii

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được thực hiện và hoàn thành trong một thời gian dài, với sự giúp
đỡ và hướng dẫn chân tình của TS. Nguyễn Trung Hải; sự rèn luyện, trau dồi kiến
thức cho tôi trong suốt quá trình học tập của các Thầy, Cô trong Khoa Kỹ thuật
giao thông; sự quan tâm chăm sóc và tạo mọi điều kiện trong học tập, công tác
của lãnh đạo, chỉ huy Khoa Cơ điện - Học viện Hải quân; sự giúp đỡ nhiệt thành
của các bạn đồng môn và đặc biệt là sự giúp đỡ hết mình của Lãnh đạo và cán bộ
các cơ quan quản lý kỹ thuật Vùng D, E Hải quân, các nhà máy sửa chữa tàu thuỷ
X52, Thuyền trưởng, Máy trưởng, nhân viên ngành Cơ điện các tàu…đã cung cấp
chính xác và đầy đủ các tài liệu, dữ liệu để tôi thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn quí Thầy, Cô và tất cả mọi người đã giúp đỡ, động
viên tôi hoàn thành luận văn này.

iii

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục ký hiệu các chữ viết tắt v
Danh mục bảng biểu vi
Danh mục hình vẽ, đồ thị vii
MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TUA BIN KHÍ TÀU THUỶ VÀ ĐỀ
TÀI NGHIÊN CỨU 3

1.1. Khái quát về động cơ tua bin khí tàu thuỷ 3

1.1.1. Khái niệm và lịch sử phát triển động cơ tua bin khí 3

1.1.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của TBK tàu thuỷ 5

1.1.3. Đặc điểm các hệ thống phục vụ TBK tàu thuỷ 6

1.1.4. Phạm vi sử dụng TBK tàu thuỷ 12

1.2. Đặc điểm khai thác động cơ TBK tàu thuỷ 12

1.2.1. Điều kiện làm việc của TBK tàu thuỷ 12

1.2.2. Các yêu cầu của TBK tàu thuỷ 18

1.2.3. Đặc điểm khai thác động cơ TBK tàu thuỷ 19

1.3. Thực trạng khai thác TBK tàu thuỷ ở Việt Nam 21

1.3.1. Thực trạng khai thác TBK tàu thuỷ quân sự 21

1.3.2. Tình hình nghiên cứu chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK 32

Chương 2 - CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHỈ TIÊU AN TOÀN CỦA
ĐỘNG CƠ TUA BIN KHÍ TÀU THUỶ 34

2.1. Chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thuỷ 34

2.1.1. Ý nghĩa vật lý 34

2.1.2. Các phương pháp đánh giá CTAT của động cơ TBK tàu thuỷ …… 36

2.2. Lựa chọn phương pháp đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK 41

2.2.1. Điều kiện để lựa chọn phương pháp đánh giá chỉ tiêu an toàn của động
cơ TBK… 41

2.2.2. Phương pháp phân tích cây hư hỏng 42
iv

Chương 3 - ĐÁNH GIÁ CHỈ TIÊU AN TOÀN CỦA ĐỘNG CƠ TUA BIN
KHÍ SỬ DỤNG TRÊN CÁC TÀU THUỶ Ở VIỆT NAM 49

3.1. Tình hình sử dụng các động cơ TBK trên các tàu thuỷ ở Việt Nam 49

3.1.1. Đặc điểm chung 49

3.1.2. Các số liệu thực tế quá trình khai thác động cơ TBK giai đoạn
2003 – 2011…… 50

3.2. Mô hình thuật toán đánh giá chỉ tiêu an toàn cho động cơ TBK tàu thuỷ 53

3.2.1. Mô hình đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thuỷ 53

3.2.2. Thuật toán đánh giá chỉ tiêu an toàn cho động cơ TBK tàu thuỷ 62

3.3. Chương trình máy tính đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK. 67

3.3.1. Chương trình máy tính 67

3.2.2. Kết quả và đề xuất biện pháp nâng cao tính an toàn của động cơ TBK
tàu thuỷ… 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHỤ LỤC

















v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CTAT : Chỉ tiêu an toàn
ĐTC : Độ tin cậy
TBK : Tua bin khí
TBKT : Trang bị kỹ thuật
XSAT : Xác suất an toàn (xác suất không hỏng)
XSHH : Xác suất hư hỏng























vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Bảng thông số các loại động cơ TBK sử dụng trên các tàu thuỷ Việt Nam
Bảng 1.2:
Bảng thông số các loại động cơ TBK sử dụng trên các tàu thuỷ Việt Nam

Bảng 2.1:
Các ký hiệu cơ bản để thành lập cây hư hỏng

Bảng 3.1: Tổng hợp hư hỏng của các phần tử của động cơ tua bin khí tàu thuỷ Việt Nam
giai đoạn từ 2003 – 2011
Bảng 3.2: Các phân hệ của động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam
Bảng 3.3: Các phần tử của phân hệ động cơ
Bảng 3.4: Các phần tử của phân hệ hệ thống phục vụ
Bảng 3.5: Các phần tử của phân hệ hệ thống điều khiển, bảo vệ
Bảng 3.6: Bảng xử lý số liệu xác định hàm mật độ phân phối thực nghiệm
Bảng 3.7: Bảng xử lý số liệu xác định hàm mật độ phân phối lý thuyết
Bảng 3.8: Xác suất hỏng của các phần tử của động cơ TBK
Bảng 3.9: Xác suất an toàn của các phần tử của động cơ TBK
Bảng 3.10: Cường độ hỏng của các phần tử của động cơ TBK
Bảng 3.11: Thời gian làm việc trung bình an toàn của các phần tử của động cơ TBK
Bảng 3.12 :Mức độ an toàn của các phần tử trong phân hệ động cơ
Bảng 3.13: Mức độ an toàn của các phần tử trong phân hệ Hệ thống phục vụ
Bảng 3.14: Mức độ an toàn của các phần tử trong phân hệ Hệ thống điều khiển, bảo vệ
Bảng 3.15: Xác suất hỏng của các phân hệ của động cơ TBK
Bảng 3.16: Xác suất an toàn của các phân hệ của động cơ TBK
Bảng 3.17: Cường độ hỏng của các phân hệ của động cơ TBK
Bảng 3.18: Thời gian làm việc trung bình an toàn của các phân hệ của động cơ TBK
Bảng 3.19: Các thông số của chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam

vii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1:Tỷ lệ phần trăm các loại hệ động lực tàu chiến của các nước trên thế giới
Hình 1.2: Sơ đồ đơn giản của một động cơ TBK
Hình 1.3: Phương pháp làm mát các cánh tua bin
Hình 1.4: Phương pháp làm mát các lá ống phun
Hình 1.5: Sơ đồ dòng khí nén làm mát tua bin hai tầng
Hình 1.6: Cong vênh lá ống phun và nứt chân lá quay do trường nhiệt độ không đồng đều
Hình 1.7: Đặc tính máy nén dọc trục
Hình 2.1: Sơ đồ biểu diễn cây hư hỏng
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam
Hình 3.2:
Sơ đồ cấu trúc theo phân hệ động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam

Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc của phân hệ động cơ
Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc của phân hệ các hệ thống phục vụ
Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc của phân hệ hệ thống điều khiển, bảo vệ
Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thuỷ
Hình 3.7: Mô hình cây hư hỏng của động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam
Hình 3.8: Sơ đồ thuật toán xử lý số liệu thống kê xác định chỉ tiêu an toàn các phần tử
của động cơ TBK tàu thuỷ

Hình 3.9: Sơ đồ thuật toán xác định chỉ tiêu an toàn động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam
Hình 3.10: Đồ thị xác suất hư hỏng và xác suất làm việc an toàn của phần tử Tua bin
Hình 3.11 : Biểu đồ cường độ hư hỏng các phần tử của động cơ TBK
Hình 3.12: Đồ thị thời gian trung bình làm việc an toàn của các phần tử động cơ TBK
Hình 3.13: Đồ thị xác suất hư hỏng Q(t) và xác suất an toàn P(t) của các phân hệ của
động cơ TBK
Hình 3.14: Biểu đồ cường độ hư hỏng của các phân hệ động cơ TBK
Hình 3.15: Đồ thị thời gian làm việc trung bình an toàn của các phân hệ động cơ TBK
Hình 3.16: Đồ thì xác suất hỏng Q(t) và xác suất an toàn P(t) của động cơ TBK sử dụng
trên các tàu thuỷ ở Việt Nam
Hình 3.17: Biểu đồ cường độ hỏng của động cơ TBK sử dụng trên các tàu thuỷ ở Việt Nam

1

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Động cơ tua bin khí (TBK) với khối lượng và kích thước nhỏ gọn so với các loại
động cơ cùng công suất khác, có tính cơ động cao, công suất lớn hiện đang được ứng
dụng rộng rãi trong các trạm phát điện tĩnh tại và trên các phương tiện giao thông vận
tải. Từ khi xuất hiện cho đến nay, động cơ TBK đã khẳng định được tính ưu việt của
mình và là loại động cơ không thể thay thế trong ngành hàng không và trong lĩnh vực
tàu quân sự.
Ở Việt Nam, đứng sau động cơ Diesel được sử dụng trên tàu thuỷ, động cơ TBK
đang ngày càng được sử dụng rộng rãi. Hiện có khoảng 40 động cơ TBK đang được sử
dụng dưới các tàu của Hải quân. Với những ưu điểm của hệ động lực TBK cho phép các
tàu thuỷ phát huy được tốc độ cao và các tính năng cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ
được giao đặc biệt là trong chiến đấu, tuần tra, cứu hộ, cứu nạn, bảo vệ an toàn cho ngư
dân khai thác xa bờ, bảo vệ chủ quyền biển đảo, thềm lục địa của Tổ quốc.
Tuy nhiên cho đến nay, việc sử dụng và khai thác động cơ TBK vẫn là một vấn
đề mới mẻ ở Việt Nam. So với các loại động cơ diesel thuỷ khác, đặc điểm khai thác

phức tạp trên tàu thuỷ có ảnh hưởng đặc biệt rõ rệt đối với động cơ TBK. Nguyên nhân
là do kết cấu phức tạp, tốc độ vòng quay rất lớn, các chi tiết làm việc chịu ứng suất cao,
việc bôi trơn, làm mát cho tuabin khó khăn, lưu lượng không khí lớn, yêu cầu cao về độ
sạch đối với nhiên liệu và dầu bôi trơn…Ngoài các yếu tố kể trên, điều kiện khí hậu
nước ta và trình độ còn có hạn chế của đội ngũ nhân viên vận hành cũng có những tác
động nhất định, ảnh hưởng đến độ tin cậy và tuổi thọ của động cơ TBK.
Thực tế khai thác thời gian qua cho thấy xuất hiện rất nhiều các hư hỏng xảy ra
cho động cơ TBK, làm ảnh hưởng không nhỏ tới việc đảm bảo độ tin cậy, tính an toàn
của hệ động lực tàu. Hầu như năm nào cũng xảy ra hư hỏng, nhất là sau những chuyến
đi biển dài ngày, làm nhiệm vụ ở khu vực đảo Trường Sa. Việc sửa chữa các thiết bị, hệ
thống của động cơ TBK cũng phức tạp và khó khăn nhất là khi đang hoạt động trên biển.
Vì thế, việc nghiên cứu đánh giá chỉ tiêu an toàn cho động cơ TBK sử dụng trên
các tàu thuỷ ở Việt Nam và có các biện pháp phù hợp nâng cao tính an toàn cho động
cơ TBK là hết sức cần thiết đối với người quản lý và sử dụng tàu.
2

2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI:
Phân tích hư hỏng của động cơ TBK tàu thuỷ trong thời gian từ 2003 – 2011, xây
dựng phương pháp xác định và đánh giá chỉ tiêu an toàn (xác suất an toàn, thời gian làm
việc trung bình an toàn, cường độ hư hỏng), xây dựng phần mềm máy tính và đề xuất
các biện pháp nâng cao tính an toàn cho động cơ TBK tàu thuỷ trong quá trình khai thác.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU:
a. Đối tượng: Động cơ TBK tàu thuỷ.
b. Phạm vi: Chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK sử dụng trên các tàu thuỷ ở Việt
Nam giai đoạn 2003-2011.
4. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI:
Tên đề tài: “Nghiên cứu đánh giá chỉ tiêu an toàn của các động cơ tua bin khí
sử dụng trên các tàu thuỷ ở Việt Nam”
Nội dung của đề tài được trình bày trong 3 chương bao gồm:
Chương 1: Tổng quan về động cơ TBK tàu thuỷ và đề tài nghiên cứu;

Chương 2: Cơ sở phương pháp đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK
tàu thuỷ;
Chương 3: Đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK sử dụng trên các tàu
thuỷ ở Việt Nam.
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU :
- Thống kê hư hỏng trong quá trình khai thác từ 2003 - 2011
- Sử dụng phương pháp logic xác suất kết hợp phân tích cây hư hỏng để đánh giá
chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thuỷ.






3

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TUA BIN KHÍ TÀU THUỶ VÀ
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. Khái quát về động cơ tua bin khí tàu thuỷ
1.1.1. Khái niệm và lịch sử phát triển động cơ tua bin khí
1.1.1.1. Khái niệm động cơ tua bin khí
Động cơ TBK là một loại động cơ nhiệt, trong đó nhiệt năng biến thành cơ năng
nhờ những bộ phận quay có cánh.
Quá trình chuyển đổi năng lượng trong động cơ TBK có thể thực hiện bằng những
chu trình khác nhau, trong đó có 2 loại chu trình cơ bản thực sự có ý nghĩa là:
- Chu trình cấp nhiệt đẳng áp (cháy đẳng áp) – chu trình Bragtôn.
- Chu trình cấp nhiệt đẳng tích (cháy đẳng tích) – chu trình Hunphrêy.
1.1.1.2. Lịch sử phát triển của động cơ TBK
Từ cuối thế kỷ XVIII, hàng loạt các đề án thiết kế về động cơ TBK được ra đời.

Nhưng do trình độ kỹ thuật lúc này còn thấp, nên các đề án không thực hiện thành công.
Vào năm 1872, kỹ sư người Đức tên là Stol đã nhận được bằng phát minh về
động cơ tua bin và thiết kế động cơ TBK.
Đến đầu thế kỷ sau (1900 – 1904) đồ án của Stol được đưa vào chế tạo và chạy
thử động cơ TBK này có đầy đủ tất cả các thành phần cấu tạo của một động cơ TBK
hiện đại như ngày nay.
Năm 1902 Moss đã chế tạo TBK dùng để quay máy quạt nạp không khí cho động
cơ đốt trong kiểu piston.
Năm 1905 Armangen và Laval đã đưa vào vận hành một động cơ TBK có công
suất 400kW, có nhiệt độ của khí công tác tại cửa vào của tua bin là 560
0
C, làm việc theo
chu trình đẳng áp.
Năm 1909 Holwarth đưa vào vận hành một động cơ TBK có công suất 150kW,
làm việc theo chu trình đẳng tích.
4

Năm 1922 Pescara phát minh ra tổ hợp động cơ piston tự do với tua bin làm công
suất hữu ích.
Năm 1930 nhà phát minh nổi tiếng Whittle đã thiết kế thành công một động cơ
TBK dùng cho máy bay. Đến năm 1937 thì động cơ TBK lần đầu tiên được lắp đặt và
vận hành trên máy bay.
Năm 1938 hãng BBC đưa vào vận hành động cơ TBK lai máy phát điện có công
suất 4000kW trong nhà máy điện ngầm dự trữ tại Thụy sỹ. Năm 1947 thì động cơ TBK
được dùng trên tàu thuỷ tại Anh, năm 1953 là Liên xô…
Sau thế chiến thứ 2, động cơ TBK phát triển nhanh và được ứng dụng rộng rãi
cho cả máy bay và tàu chiến. Ngày nay trên các tàu chiến hiện đại, tốc độ cao thì động
cơ TBK có khả năng đáp ứng rất phù hợp (chiếm khoảng 35%). Ngoài ra trong các lĩnh
vực khác cũng được ứng dụng rộng rãi động cơ TBK.

Hình 1.1 cho ta thấy tỷ lệ phần trăm các loại hệ động lực tàu chiến của các nước
trên thế giới. Ta thấy hệ động lực TBK chiếm tỷ lệ lớn nhất và đó cũng là xu thế của hệ
động lực trang bị cho các loại tàu hiện đại.
Ở Việt Nam, các động cơ TBK được sử dụng ngày càng nhiều trên các tàu thuỷ
Hình 1.1: Tỷ lệ phần trăm các loại hệ động lực tàu chiến của các nước
trên thế giới
5

của Hải quân, ngoài ra cũng được sử dụng trong các lĩnh vực khác như hàng không,
nhiệt điện.
1.1.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của TBK tàu thuỷ
1.1.2.1. Sơ đồ cấu tạo
Sơ đồ cấu tạo đơn giản của một động cơ TBK được thể hiện như Hình 1.2.

1.1.2.2. Nguyên lý hoạt động
Không khí từ ngoài môi trường được hút qua cửa nạp 1, vào máy nén khí 2. Ở đó
không khí được nén đến một áp suất nhất định rồi được đưa vào buồng đốt 3. Trong khi
đó nhiên liệu được đưa đến vòi phun 4 và phun vào buồng đốt. Trong buồng đốt, nhiên
liệu hoà trộn với không khí và cháy nhờ nhiệt độ cao của ngọn lửa đang cháy (lúc khởi
động, cần có một nguồn nhiệt mồi).
Tại thời điểm khởi động, sau khi nhiên liệu và không khí đã được hoà trộn trong
buồng đốt, buji sẽ đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp này. Sau đó hỗn hợp nhiên liệu và
5
1 6
2 7
3
4
a
b c

8
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý của một động cơ TBK
1- Cửa nạp; 2- Máy nén khí; 3- Buồng đốt; 4- Vòi phun;
5- Tua bin; 6- Cửa thải; 7- Bích nối với động cơ khởi động;

8- Bích nối với máy công tác (chân vịt);
a- Nhiên liệu; b- Không khí; c- Khí thải.
6

không khí tự duy trì sự cháy sau khi buji ngừng đánh lửa. Sản phẩm cháy có nhiệt độ
phù hợp đi tiếp vào tua bin 5. Trước tiên, khí công tác đi qua thiết bị phun của tua bin
(để tăng tốc và thay đổi hướng cho phù hợp với góc đặt cánh công tác) rồi đi vào bánh
công tác của tua bin. Khi đi qua rãnh cánh công tác của tua bin, động năng của khí công
tác biến thành cơ năng để quay bánh công tác sau đó thoát ra ngoài qua cửa 6.
Như vậy, khi động cơ làm việc thì hoá năng của nhiên liệu đã biến thành nhiệt
năng, nhiệt năng đó biến thành thế năng áp suất, thế năng đó lại biến thành động năng
và cuối cùng động năng biến thành cơ năng để quay bánh công tác và cấp công suất cho
các hộ tiêu thụ qua trục của tua bin.
1.1.3. Đặc điểm các hệ thống phục vụ TBK tàu thuỷ
1.1.3.1. Hệ thống nhiên liệu
Hệ thống nhiên liệu của động cơ TBK bảo đảm việc chuẩn bị dầu, cung cấp dầu,
và định lượng dầu khi khởi động các động cơ TBK, khi sử dụng máy ở từng chế độ cho
trước, khi chuyển từ chế độ này sang chế độ khác.
Hệ thống nhiên liệu bao gồm:
Hệ thống bên trong động cơ TBK có bơm cung cấp dầu bổ trợ (chỉ có ở động cơ
TBK tăng tốc); bơm điều tốc; bộ tự động phân phối nhiên liệu; bầu lọc; các vòi phun và
các thiết bị bổ trợ khác.
Hệ thống của tàu có các két dự trữ và két tiêu thụ; bơm chuyển dầu; bộ lọc ly tâm
và bộ phân ly tĩnh; các bơm đẩy; bầu lọc; hệ thống đường ống và các thiết bị bổ trợ khác.
Trong động cơ TBK sự cháy nhiên liệu và tạo ra sản phẩm cháy xảy ra trong

buồng đốt. Do đó, nhiên liệu dùng cho động cơ TBK so với những loại động cơ TBK
khác cần có những tính chất, yêu cầu cao hơn. Hiệu suất và chất lượng của buồng đốt,
vận tốc lan truyền lửa, thời gian cháy của nhiên liệu trong buồng đốt, độ đồng đều của
trường nhiệt độ do sản phẩm cháy quyết định.
Điều khác biệt của quá trình đốt cháy nhiên liệu trong động cơ TBK so với các
động cơ TBK khác là quá trình cháy diễn ra liên tục. Vì vậy, nhiên liệu cần được cấp
vào buồng đốt liên tục, dưới dạng lỏng trộn không khí, với vận tốc lớn để bảo đảm đồng
thời việc tạo ra và đốt cháy hỗn hợp khí - nhiên liệu.
7

Trong buồng đốt ở tất cả các chế độ cần phải duy trì được tuyến lửa bền vững.
Để bảo đảm sự làm việc ổn định bền vững của buồng đốt, chủ yếu phụ thuộc vào độ bay
hơi của nhiên liệu và độ hoàn thiện của quá trình hoà trộn hơi nhiên liệu với không khí.
Ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình trên là tính chất vật lý của nhiên liệu và điều kiện khai
thác.
Để bảo đảm trực tiếp cho sự cháy, không khí cấp vào buồng đốt chia làm 2 phần.
Phần thứ nhất để hoà trộn với nhiên liệu và bảo đảm quá trình cháy, phần thứ hai bảo
đảm sự đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu.
Tại buồng đốt của động cơ TBK, việc mồi lửa cho hỗn hợp nhiên liệu - không
khí xảy ra nhờ hiệu ứng luồng ngược của sản phẩm cháy. Do đó, quá trình cháy diễn ra
ở nhiệt độ rất cao và với thời gian cháy rất ngắn.
Khi thay đổi chế độ làm việc của động cơ TBK, làm thay đổi các thông số của
luồng không khí vào buồng đốt và ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cháy nhiên liệu.
Nhiệt độ ban đầu của luồng không khí quyết định vận tốc lan truyền lửa trong
buồng đốt. Khi nhiệt độ tăng vùng cháy ổn định sẽ mở rộng ra. Ngược lại, khi nhiệt độ
giảm sẽ làm giảm khả năng tạo hỗn hợp cháy và chất lượng làm việc của buồng đốt.
Như vậy, nhiên liệu dùng cho động cơ TBK tàu thuỷ cần phải có những tiêu chuẩn
sau:
- Nhiên liệu phải có độ phun tơi cao, khả năng bốc hơi tốt trong toàn khoảng nhiệt
độ làm việc của buồng đốt;

- Trong bất kỳ điều kiện nào, nhiên liệu phải bảo đảm cho quá trình khởi động
nhanh, tin cậy theo tiêu chuẩn đã đề ra;
- Trong mọi điều kiện làm việc, nhiên liệu phải được cung cấp thường xuyên và
liên tục cho buồng đốt;
- Nhiên liệu phải có vùng cháy nhỏ nhất, cháy ổn định và cháy hoàn toàn, không
phụ thuộc vào chế độ làm việc và điều kiện hoạt động;
- Độ tạo cốc và muội trên vòi phun, các bộ phận của buồng đốt, các chi tiết khác
phải nhỏ nhất;
8

- Nhiên liệu không gây nhiễm bẩn và ăn mòn phần lưu thông, các chi tiết của máy
nén khí và tua bin;
- Nhiên liệu có chất lượng cao, không chứa các tạp chất cơ học, nước và các tạp
chất gây ăn mòn kim loại;
- Nhiên liệu là môi chất công tác nên phải bảo đảm sự làm việc tin cậy, ổn định
của hệ thống điều khiển và bảo vệ động cơ TBK;
- Nhiên liệu phải bảo đảm chất lượng khi bảo quản dài ngày;
- Nhiên liệu phải phù hợp với các tiêu chuẩn an toàn cháy nổ trên tàu thủy.
1.1.3.2. Hệ thống bôi trơn
Hệ thống bôi trơn động cơ TBK đảm bảo cung cấp dầu bôi trơn cho các ổ đỡ
trong tua bin. Vì tốc độ làm việc của động cơ TBK rất lớn (lớn hơn rất nhiều so với động
cơ diedel kiểu piston), nên việc bôi trơn càng đặc biệt quan trọng để đảm độ bền, tuổi
thọ các chi tiết cần bôi trơn (các ổ trục).
Đặc điểm đặc biệt của dầu bôi trơn động cơ TBK là nó thường xuyên tiếp xúc và
pha trộn với không khí, do nguyên nhân dầu bôi trơn được cấp tới các ổ đỡ qua vòi phun
dưới tác dụng của áp suất, do đó nó được phun tơi nhỏ và hoà trộn với không khí. Bơm
hút dầu bôi trơn ra khỏi động cơ TBK có công suất lớn gấp 3 - 5 lần bơm đẩy, nên nó
hút cả những bọt khí trong két gom và sự tiếp xúc thường xuyên của dầu bôi trơn với
không khí để làm kín và làm mát các chi tiết. Vì vậy, khi dầu bôi trơn vào bộ tách ly tâm
nó chứa tới 30 - 60% không khí.

Sự lẫn không khí vào dầu bôi trơn ngoài việc bị ô xy hoá, còn làm cho giảm chất
lượng trao đổi nhiệt và bôi trơn của dầu bôi trơn , giảm chất lượng làm việc của hệ thống
dầu bôi trơn .
Hệ thống bôi trơn của động cơ TBK tách riêng với vùng cháy của động cơ TBK,
nên tiêu hao do cháy dầu bôi trơn rất nhỏ. Tiêu hao dầu bôi trơn thường vào khoảng 1,5
- 5,0 lít/giờ và phụ thuộc vào công suất của động cơ TBK.
Do đặc điểm cấu tạo khi thiết kế và điều kiện làm việc của dầu bôi trơn , người
ta thường sử dụng loại dầu bôi trơn có độ nhớt động học thấp (6 - 10 cSt ở 50°C) cho
động cơ TBK và cao hơn (10 - 20 cSt ở 100°C) cho hộp giảm tốc. Để đơn giản trong
9

khai thác, cũng có thể sử dụng một loại dầu bôi trơn chung cho cả động cơ TBK và hộp
giảm tốc.
Dầu bôi trơn có đặc điểm là dễ bị nhiễm nước ngọt và nước biển. Nước biển vào
dầu bôi trơn qua các đệm kín của sinh hàn nước. Còn nước ngọt, có thể tràn vào dầu bôi
trơn trong quá trình rửa phẩn lưu thông của động cơ TBK.
Do những yêu cầu đặc thù của động cơ TBK và điều kiện ở trên tàu, nên đối với
dầu bôi trơn còn có những yêu cầu sau:
- Có khả năng chống ô xy hoá cao ở nhiệt độ từ 150 °C trở lên. Tiếp xúc tốt với
bề mặt có chất liệu khác nhau và với không khí;
- Làm việc tin cậy và chất lượng trong tất cả các chi tiết của động cơ TBK, ổ đỡ,
các bánh răng, các liên kết với thiết bị treo ở nhiệt độ từ 150 – 180 °C;
- Có tính chống mài mòn và chống xây sát cao
- Có khả năng hoà trộn thấp;
- Có khả năng mang theo các tạp chất, cặn cao;
- Không phá huỷ kim loại, cao su, các đệm kín và các hợp chất khác;
- Có đặc tính nhớt thoải theo biến thiên của nhiệt độ và khả năng di chuyển tốt
dưới áp suất ở nhiệt độ thấp;
- Có thành phần đồng nhất và bền vững không bị phân huỷ, khả năng bốc hơi
thấp, và giữ độ nhớt trong suốt quá trình làm việc trong tổ hợp;

- Bền vững và có thể rửa sạch bằng các phụ gia hay nước ngọt khi bị nhiễm mặn;
- Tin cậy khi là môi chất của hệ thống điều khiển.
1.1.3.3. Hệ thống làm mát
Hệ thống làm mát động cơ TBK bảo đảm việc dẫn thoát nhiệt khỏi các động cơ
và các hộp giảm tốc đang làm việc ở tất cả các chế độ công tác.
Làm mát các động cơ bằng khí và dầu bôi trơn tuần hoàn, làm mát hộp giảm tốc
bằng dầu bôi trơn tuần hoàn.
Hệ thống làm mát gồm:
10

- Hệ thống của động cơ, bảo đảm cho việc làm mát các chi tiết, các cụm chi tiết
bằng không khí được lấy từ máy nén khí và làm mát vỏ ngoài động cơ, do khí hút từ
ngoài vào khoang giữa 2 vỏ nhờ hiệu ứng dòng đối lưu khí xả.
- Hệ thống của tàu bảo đảm làm mát dầu bôi trơn của các động cơ và các hộp
giảm tốc bằng nước biển. Hệ thống bao gồm bộ nhận và xả nước, các bầu lọc, bộ làm
mát dầu, hệ thống trích nước từ hệ thống cứu hỏa và các thiết bị bổ trợ khác.
Cách thức làm mát động cơ TBK cũng khác, thường sử dụng hai phương pháp
chính để làm mát tua bin bằng không khí:
 Làm mát đối lưu trong: Là không khí đi vào bên trong các lá, sau đó thoát ra
ngoài hòa vào dòng khí cháy.
 Làm mát kiểu chặn trước: Là không khí từ trong lá đi qua các khe hở hoặc lỗ
nhỏ phun lên bề mặt lá tạo thành lớp màng bảo vệ lá khỏi tiếp xúc trực tiếp với khí cháy.
Hình 1.3 giới thiệu các phương pháp làm mát cho các cánh tua bin.
Trường hợp 1 là được làm mát từ bên trong dòng khí đi từ đế lá lên rồi thổi ra
ngoài, hiệu suất làm mát tốt, dòng khí lưu động dễ.
Trường hợp 2 là khí thổi từ đế lá, làm mát cho phía gờ trước rồi chảy bọc phía
màng trong lá sau đó thổi ra mép phía sau, phương pháp này làm mát đồng đều hơn so
với phương pháp 1.

Hình 1.3: Phương pháp làm mát các cánh tua bin
Các phương pháp còn lại là làm mát kiểu chặn trước, khí từ bên trong thổi qua lỗ,
giống như màng thấm ngăn chặn lá tiếp xúc với dòng khí cháy. Phương pháp này hiệu
quả nhất nhưng khó chế tạo mà mất nhiều khí làm mát hơn.
Hình 1.4 thể hiện các phương pháp làm mát các lá ống phun kiểu đối lưu.



11


Hình 1.4: Phương pháp làm mát các lá ống phun
Ngoài ra, các chi tiết như đĩa quay, vỏ ngoài, vỏ trong của tua bin và buồng đốt, các
khoang ổ bi cũng được làm mát bằng khí nén theo sơ đồ Hình 1.5.
Cần lưu ý rằng: khi làm mát thường được sử dụng là khí nén lấy từ một cấp nào
đó trên máy nén, thường là cấp giữa hoặc cuối, lưu lượng khí làm mát phụ thuộc vào
chế độ làm việc của thiết bị, nếu sử dụng thiết bị lâu ở các chế độ có vòng quay thấp, có
thể sẽ không đủ khí làm mát, gây cháy hỏng tua bin.

Hình 1.5: Sơ đồ dòng khí nén làm mát tua bin hai tầng
1.1.3.4. Hệ thống khởi động
Hệ thống khởi động bảo đảm tăng tốc độ tuabin đến tốc độ tua bin có thể tự làm
việc được. Hệ thống khởi động TBK cũng được sử dụng khi cần quay lạnh động cơ, hay
khi cần tẩy rửa phần lưu thông cho TBK.

12

Động cơ TBK tàu thuỷ thường được khởi động bằng động cơ điện, với công suất
khởi động vào khoảng 1% công suất cuả TBK.
1.1.3.5. Hệ thống điều khiển, điều chỉnh và bảo vệ
Các hệ thống điều khiển, điều chỉnh và bảo vệ cho TBK là một trong những hệ
thống rất quan trọng để đảm bảo cho động cơ TBK tàu thuỷ làm việc chính xác và an
toàn.
1.1.4. Phạm vi sử dụng TBK tàu thuỷ
Động cơ TBK có công suất lớn, tỷ lệ kích thước trọng lượng nhỏ hơn so với động
cơ Diesel nên rất thích hợp trang bị trong hệ thống động lực của các tàu thuỷ đòi hỏi
công suất lớn, tốc độ cao. Tuy nhiên, do số vòng quay của TBK rất lớn, lớn hơn nhiều
số vòng quay của các động cơ Diesel, trong khi đó số vòng quay hoạt động hiệu quả của
chân vịt tàu thuỷ thường thấp hơn rất nhiều nên khi sử dụng động cơ TBK lai chân vịt
tàu thuỷ cần có biện pháp khắc phục điều này. Đó là sự cần thiết phải có thiết bị giảm
vòng quay trước khi đưa ra chân vịt, hay trang bị thêm động cơ Diesel, chân vịt biến
bước để tăng tính cơ động và khả năng hoạt động của hệ động lực đặc biệt là ở các chế
độ tốc độ thấp, khi đảo chiều.
1.2. Đặc điểm khai thác động cơ TBK tàu thuỷ
1.2.1. Điều kiện làm việc của TBK tàu thuỷ
TBK làm việc trong điều kiện tương đối khắc nghiệt, vận tốc quay lớn, nếu khí
cháy sau buồng đốt cấp trực tiếp cho tua bin, thì nhiệt độ dòng khí cháy với tua bin công
suất lớn có thể đạt đến giá trị 1000 - 1500
0
K, áp suất lên đến 20kG/cm
2
.
Lực ly tâm khi quay và ứng lực nhiệt có thể làm gãy đứt, làm nứt nẻ cong vênh
các lá tua bin và các lá ống phun. Khi vận hành, tính ổn định của thiết bị và tua bin trong
sự hoạt động phối hợp ảnh hưởng rất mạnh đến độ bền, đến sự hoạt động bình thường
của tua bin, v.v

Ngoài ra, điều kiện môi trường làm việc và quy trình vận hành cũng ảnh hưởng
không nhỏ đến tuổi thọ của tua bin. Khi nghiên cứu về điều kiện hoạt động của TBK,
cần xét một số khía cạnh chính dưới đây.

13

1.2.1.1. Điều kiện cơ nhiệt
Lực ly tâm tác động lên lá quay tua bin khi thiết kế đã được tính toán nhằm đảm
bảo đủ độ bền, nhưng tác động của ứng suất nhiệt thì không thể tính hết, vì khi tính toán
thường coi trường nhiệt độ trong tua bin là đồng nhất, nhưng thực tế thì không phải vậy.
Thứ nhất, khi cháy trong buồng đốt phân bố nhiệt đã không đồng đều, thứ hai ở cửa
ra tại chỗ tiếp xúc các vách ống đốt ở buồng đốt có nhiều ống đốt riêng biệt, thì nhiệt độ tại
đó khác với nhiệt độ trong lõi của luồng khí cháy, nên các lá của ống phun ở những vị trí
khác nhau chịu ứng lực nhiệt là khác nhau. Các lá tua bin cũng chịu nhiệt tương tự như vậy.
Điều này dẫn đến sự biến dạng nhiệt khác biệt nhau, các lá ống phun có thể gây chèn ép
nhau khi giãn nở, còn các lá quay do biến dạng có lá dài ngắn khác nhau.


Hình 1.6: Cong vênh lá ống phun và nứt chân lá quay
do trường nhiệt độ không đồng đều
Trong đó:
a - Gờ trước và sau bị đốt nóng mạnh hơn nên giãn nở nhanh hơn khi tăng tốc
động cơ;
b - Khi giảm vòng quay gờ trước và sau nguội nhanh hơn so với phần giữa lá;
c - Gờ trước và sau phát sinh vết nứt do sự giãn nở nhiệt không đều trên bề mặt
lá. Đường a: nứt chân đế lá quay.
Độ giãn dài quá mức của các lá quay theo hướng bán kính sẽ gây nguy hiểm trực
tiếp đến khe hở của các lá tới vỏ. Khi khe hở quá nhỏ có thể gây cọ sát giữa đầu lá với
vỏ tua bin, phá hủy kết cấu tua bin.
Hậu quả của biến dạng do sự phân bố nhiệt không đều rất nghiêm trọng, một vài

dạng hư hỏng lá ống phun, đĩa tua bin do biến dạng nhiệt thể hiện trên Hình 1.6.
14

Ngoài ra, hiện tượng quá nhiệt còn gây cháy xém lá tua bin và lá ống phun. Để
khắc phục hiện tượng này, thường sử dụng khí nén làm mát các lá ống phun và các lá
tua bin. Với các lá ống phun đối diện với cửa ra ống đốt chịu nhiệt độ cao có thể được
đúc rỗng để làm mát bên trong các lá.
Với những thiết bị có công suất lớn, nhiệt độ khí cháy tác động lên tua bin khoảng
từ 1000 – 1200
0
K, thì toàn bộ các lá miệng phun và các lá quay tầng 1 đều đúc rỗng.
1.2.1.2. Điều kiện ổn định
Đây là điều kiện rất quan trọng trong quá trình làm việc của tua bin. Điều kiện
ổn định không phụ thuộc riêng bản thân tua bin mà liên quan đến nhiều bộ phận khác
trong sự hoạt động phối hợp của toàn bộ thiết bị.
Để đảm bảo hoạt động ổn định cần thỏa mãn một số yếu tố dưới đây.
 Sự cân bằng lưu lượng
Nếu gọi lượng không khí đi qua cửa vào tua bin trong một giây là G
1
(kg/s) và
tại cửa ra là G
2
(kg/s), thì phương trình cân bằng lưu lượng (còn gọi là phương trình liên
tục) là:
G
1
= G
2
= G = const (1.1)
Lưu lượng khí qua bất cứ thiết diện nào của tua bin ở một chế độ làm việc nào

đó đều bằng nhau. Nếu viết dưới dạng các thông số nhiệt động, phương trình liên tục có
dạng (1.2) [8]:
c
1
.ρ
1
.F
1
= c
2
.ρ
2
.F
2
(1.2)
Trong đó:
c
1
,c
2
- vận tốc tuyết đối dòng khí, m/s;
ρ
1
,

ρ
2
- mật độ không khí, kg/m
3
;

F
1
, F
2
- diện tích thiết diện trên cửa vào và ra tua bin, m
2
.
Hoặc viết dưới dạng các thông số quy dẫn như công thức (1.3) [8]:

* *
1 1 2 2
1 1 1 2 2 2
* *
0 2
.
( ) . ( )
p p
G m F q m F q
T T
 
 
 
(1.3)
15

Trong đó:
m
1
, m
2

- hệ số lưu lượng;

1
,

2
- hệ số bảo toàn áp suất;

*
1
p
,
*
2
p
,
*
0
T
,
*
2
T
,
1
( )
q

,
2

( )
q

- lần lượt là áp suất hãm, nhiệt độ hãm, mật độ tương
đối của dòng (chính xác hơn là lưu lượng quy dẫn) tại cửa vào và ra tua bin.
Để phương trình (1.3) được thoả mãn, máng chảy tua bin được thiết kế mở rộng
dần về phía sau như trên hình 1.5.
Khi điều kiện về phương trình liên tục bị vi phạm, sẽ xảy ra hiện tượng gián đoạn
dòng chảy trên tua bin, nếu G1 > G2 gây ra hóc khí, còn khi G1 < G2 gây thiếu khí. Hai
hiện tượng này gây rung động toàn bộ tua bin, nguy hiểm nhất là hóc khí, có thể rung
động đến mức làm gãy các lá quay.
Hiện tượng hóc khí hiếm khi xảy ra trên tua bin, trừ trường hợp có lắp hệ thống
phun bổ sung chất lỏng lên tua bin nhằm tăng vượt công suất mà không có thiết bị điều
chỉnh mở rộng cửa thoát sau tua bin.
 Độ dữ trữ ổn định
Trong quá trình hoạt động phối hợp với tổng thể thiết bị, nếu thiết bị sử dụng máy
nén dọc trục thì khi giảm nhanh chế độ làm việc của thiết bị (giảm nhanh công suất) dễ xảy
ra hóc khí trên máy nén, khi đó máy nén bị rung động mạnh kéo theo rung động tua bin.
Độ dự trữ ổn định trong sự làm việc phối hợp liên quan chặt chẽ đến sự hoạt động
ổn định trên máy nén, khi máy nén mất ổn định, nhất là hóc khí ngoài việc phá hỏng
máy nén cũng dẫn đến phá hỏng tua bin.
Đồ thị đặc tính máy nén nêu trên Hình 1.7 có ký hiệu đường 1 là đường hóc khí,
đường 2 là đường làm việc ổn định của thiết bị ứng với các vòng quay quy dẫn khác
nhau thay đổi từ
qd
n
= 60 - 100%, đường nét đứt là giới hạn thiếu khí, các đường thẳng
xuất phát từ gốc tọa độ là các giá trị tỷ số nhiệt độ hãm
*
0

*
H
T
T
ở cửa vào tua bin
*
0
T
và
nhiệt độ hãm ở cửa vào máy nén
*
H
T
. Tại vòng quay quy dẫn
qd
n
= 85%, độ dự trữ ổn
định ở vòng quay này của thiết bị là khoảng cách giữa 2 điểm a và b.
16

Hình 1.7: Đặc tính máy nén dọc trục
Nhìn trên Hình 1.7 nhận thấy ở những vòng quay thấp chẳng hạn
qd
n
= 70%, độ
dự trữ ổn định tại đó thấp hơn.
Khi thiết bị hoạt động ổn định thì không có gì đáng nói, chỉ khi tăng tốc hoặc
giảm tốc đột ngột, khi đó việc điều tiết thiết bị sẽ không đi theo đường 2 nữa, nếu tăng
tốc nhanh quá nhiệt độ khí cháy
*
0
T
tăng nhanh, đường thẳng
*
0
*
H
T
T
sẽ nằm ở phía bên trái
đường 1, khi đó thiết bị bị hóc khí.
Khi giảm tốc độ quá nhanh, mà lưu lượng khí vào thiết bị không giảm kịp theo
vòng quay, chẳng hạn từ n
qd
= 90% giảm nhanh về 70%, do lưu lượng khí không giảm

kịp, điểm làm việc chạy lên trên và rơi vào biên giới hóc khí.
Để khắc phục tình trạng này, khi tăng tốc hoặc giảm tốc nhanh các bộ tự động
điều chỉnh lượng cung cấp nhiên liệu đều có lắp các bộ tự động giữ độ trễ về mặt thời
gian để tránh thiết bị rơi vào mất ổn định, đồng thời trên máy nén có bố trí các van xả
khí hoặc bộ tự động xoay các lá chỉnh dòng máy nén để điều chỉnh lượng khí vào.

*
k

2

1

a

b

α
q(λ)