Phân tích cơ sở lý thuyết và mô phỏng đặc điểm cấu tạo, nguyên lý làm việc của thiết bị năng lượng tua bin khí tàu thủy

- 1 -

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, phương tiện thủy đóng vai trò quan trọng trong đời sống của con
người. Phương tiện thủy đã, đang và sẽ phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu về
kinh tế, vận tải, quân sự… ngày càng lớn của con người. Chính vì lẽ đó mà thiết bị
năng lượng tàu thủy cũng được chú trọng phát triển mạnh.
Thiết bị năng lượng tàu thủy có công suất lớn, hiệu suất cao, tiết kiệm được
nhiên liệu…sẽ là những ưu tiên đầu tiên để phát triển. Nhiều thập niên gần đây,
Thiết bị năng lượng diesel tàu thủy có nhiều tính năng ưu việt đã chiếm đa phần
trong việc trang bị thiết bị năng lượng trên tàu thủy. Song ngày nay và trong tương
lai gần, thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy sẽ dần thay thế vì nó có những tính
năng đáp ứng tốt những nhu cầu khách quan của con người như: Công suất lớn, tốc
độ cao…
Nắm bắt được vai trò và tầm quan trọng của loại thiết bị năng lượng tuabin khí
tàu thủy. Được sự đồng ý của hiệu trưởng trường đại học Nha Trang, khoa kỹ thuật
tàu thủy, các thầy trong bộ môn động lực tàu thủy. Em được phân công thực hiện
khoá luận tốt nghiệp: ”Phân tích cơ sở lý thuyết và mô phỏng đặc điểm cấu tạo,
nguyên lý làm việc của thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy”. Do thầy Th.S
Phùng Minh Lộc hướng dẫn với nhiệm vụ chính:
 Tổng quan về thiết bị năng lượng tàu thủy.
 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị năng lượng tuabin khí.
 Mô phỏng đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị năng lượng
tuabin khí.
Với những yêu cầu đề tài đặt ra, qua hơn ba tháng, với sự hướng dẫn tận tình
của thầy Th.S Phùng Minh Lộc và các thầy trong khoa, em đã cố gắn hoàn thành tốt
nhất những yêu cầu của đề tài.

- 2 -
Với kiến thức còn hạn hẹp, thời gian ngắn, hơn nữa đây là lĩnh vực tương đối
mới, nên nội dung luận văn còn nhiều thiếu sót chưa đáp ứng được hết yêu cầu của
luận văn. Rất mong được sự góp ý của các thầy và các bạn để khoá luận này hoàn
chỉnh hơn. Nhân đây em xin chân thành cảm ơn thầy Th.S Phùng Minh Lộc, các
thầy cô trong khoa kỹ thuật tàu thủy đã tận tình hướng dẫn em để hoàn thành luận
văn tốt nghiệp này.
Nha Trang, ngày 01 tháng 11 năm 2007.

Sinh viên thực hiện



Nguyễn Văn Đôn



- 3 -

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ THIẾT
BỊ NĂNG LƯỢNG TÀU



- 4 -
1.1 Khái niệm, công dụng, thành phần và phân loại thiết bị năng tàu thủy.

1.1.1. Khái niệm.
Thiết bị năng lượng (TBNL) tàu thủy là tổ hợp các trang thiết bị (các động cơ
nhiệt, các máy móc, thiết bị, đường ống và hệ thống), được dùng để biến năng
lượng của nhiên liệu thành các dạng năng lượng: Cơ năng, điện năng và nhiệt năng,
và chuyển nó đến các hộ tiêu dùng (lai chân vịt, lai máy phát điện…).
1.1.2. Công dụng.
Thiết bị năng lượng tàu thủy được dùng để biến đổi và chuyển các dạng năng
lượng (cơ năng, điện năng và nhiệt năng) đến các hộ tiêu dùng. Nhằm đảm bảo cho
tàu hoạt động với tốc độ cho trước, chạy an toàn và tin cậy, đảm bảo sự làm việc
bình thường của máy móc trong buồng máy, máy móc và các trang thiết bị trên mặt
boong. Ngoài ra, nó thực hiện nhiệm vụ chiếu sang bằng điện, đảm bảo hoạt động
của các phương tiện hàng hải, sự điều khiển máy móc, hệ thống tín hiệu, thiết bị tự
động. Nó còn phục vụ các nhu cầu chung của tàu và nhu cầu sinh hoạt của thủy thủ
đoàn và hành khách. Hơn nữa, nó đảm bảo việc thực hiện các công đoạn sản xuất
trên tàu chuyên dùng (như bốc xếp, chuyển tải… trên các công trình).
1.1.3. Thành phần TBNL tàu thủy.
Thiết bị năng lượng tàu thủy bao gồm :
- Thiết bị năng lượng chính hay còn gọi là thiết bị động lực tàu, năng lượng của
nó được dùng để làm hoạt động thiết bị đẩy hoặc các máy móc sản xuất trên tàu
chuyên dùng. Nó gồm các động cơ chính (kể cả nồi hơi của thiết bị năng lượng
tuabin hơi, các lò phản ứng hạt nhân của thiết bị năng lượng nguyên tử…), các máy
móc thiết bị phụ và hệ thống phục vụ chúng, hệ trục và bộ truyền động.
- Thiết bị năng lượng phụ , đó là các máy móc biến đổi và sử dụng các dạng
năng lượng đã nêu trên để đảm bảo sự hoạt động bình thường của các thiết bị năng
lượng chính. Thiết bị năng lượng phụ bao gồm các động cơ phụ (các cụm máy phát
điện – diesel sự cố, các nồi hơi phụ và trạm ắcqui, các máy móc phụ, các thiết bị và
các hệ thống phục vụ chúng).

- 5 -
- Các máy móc và thiết bị của hệ thống chung toàn tàu (cấp thoát nước sinh
hoạt, sưởi ấm, sấy nóng, thông gió và điều hoà không khí, hút khô, cứu hỏa, cứu
đắm, dằn và cân bằng tàu, thu gom và xử lý nước thải…).
- Các hệ thống điều khiển, kiểm tra và bảo vệ từ xa của thiết bị năng lượng
chính và thiết bị năng lượng phụ, các máy móc và các hệ thống chung toàn tàu.
1.1.4. Phân loại thiết bị năng lượng tàu thủy.
Có nhiều cách phân loại thiết bị năng lượng tàu thủy.
 Theo loại nhiên liệu sử dụng phân ra:
- Thiết bị năng lượng sử dụng than.
- Thiết bị năng lượng sử dụng dầu.
- Thiết bị năng lượng sử dụng hạt nhân.
 Theo loại môi chất công tác:
- Thiết bị năng lượng hơi nước.
- Thiết bị năng lượng khí cháy.
 Theo động cơ chính phân ra:
- Thiết bị năng lượng máy hơi nước.
- Thiết bị năng lượng tuabin hơi.
- Thiết bị năng lượng tuabin khí.
- Thiết bị năng lượng động cơ đốt trong.
 Theo chu trình công tác phân ra:
- Thiết bị năng lượng hoạt động theo chu trình kín (hơi nước).
- Thiết bị năng lượng hoạt động theo chu trình hở (hỗn hợp khí cháy).
 Theo phương thức truyền động phân ra:
- Thiết bị năng lượng truyền động trực tiếp.
- Thiết bị năng lượng truyền động gián tiếp.
- Thiết bị năng lượng truyền động điện.
- Thiết bị năng lượng truyền động bằng chân vịt biến bước.
 Theo số đường trục phân ra:
- Thiết bị năng lượng một đường trục.

- 6 -
- Thiết bị năng lượng nhiều đường trục.
1.2. Yêu cầu đối với TBNL tàu thủy.
Thiết bị năng lượng tàu thủy cần phải thỏa mãn các yêu cầu kinh tế kỹ thuật và
vận hành cơ bản sau:
- Phải kinh tế, nghĩa là giá thành đóng mới và các chi phí vận hành nó phải tối
ưu.
- Thiết bị năng lượng chính cần phải đảm bảo tốc độ tàu cho trước, có chất
lượng cơ động tốt ở tất cả các chế độ chuyển động của tàu và có độ bền cao.
- Cung cấp các dạng năng lượng khác nhau cho các hộ tiêu dùng với tính kinh
tế cao trong quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng và điện năng.
- Các quá trình điều khiển và điều chỉnh phải được tự động hoá.
- Phải tin cậy, nghĩa là có xác suất làm việc không hỏng hóc tối ưu, đòi hỏi thời
gian khắc phục những trục trặc ít nhất và đảm bảo khả năng làm việc trong trường
hợp sự cố.
- Khi làm việc không gây tác động độc hại đến người vận hành và không gây ô
nhiễm môi trường xung quanh.
- Có kích thước và khối lượng nhỏ.
Nhưng trong thực tế khi sử dụng và vận hành các thiết bị năng lượng tàu thủy,
tùy thuộc vào kiểu loại và công dụng của tàu mà có những yêu cầu đặc biệt chú
trọng, ngược lại có những yêu cầu được xem nhẹ đi.
1.3. Một số loại thiết bị năng lượng tàu thủy điển hình.
1.3.1 TBNL diesel tàu thủy.
Thiết bị năng lượng diesel là loại thiết bị năng lượng sử dụng động cơ diesel
làm máy chính cho tàu. Ngoài ra, phần lớn các động cơ phụ cũng là các động cơ
diesel.
Số lượng tàu trang bị thiết bị năng lượng diesel thường chiếm (95 ÷ 97) % số

lượng các tàu đóng mới. Dù rằng thiết bị năng lượng tuabin khí ngày càng chiếm ưu
thế trên các tàu cỡ lớn, nhưng trong tương lai người ta dự đón rằng thiết bị năng
lượng diesel sẽ là loại TBNL chủ yếu của tàu sông và sông pha biển.



- 7 -
TBNL diesel tàu thủy được sử dụng phổ biến trên các tàu có công dụng khác
nhau do chúng có những ưu điểm sau:
- Có khả năng tạo được tổ hợp công suất ở phạm vi lớn trên cơ sở các kiểu kích
thước xilanh tiêu chuẩn.
- Có thể lựa chọn nhiều phương án truyền động khác nhau.
- Tính kinh tế tương đối cao.
- Tương đối đơn giản trong việc tự động hóa điều khiển.
Người ta phân nhóm cho động cơ diesel tàu thủy theo tốc độ trung bình của
piston và số vòng quay (n) của trục khuỷu như sau:
- Các động cơ thấp tốc và có số vòng quay thấp: n < 200 v/ph, C
m
< 6,6 m/s.
- Các động cơ diesel thấp tốc và có số vòng quay trung bình: n = 200 ÷ 300
v/ph, C
m
< 6,6 m/s.
- Các động cơ diesel cao tốc trung bình có số vòng quay trung bình: n = 200 ÷
500 v/ph, C
m
= 6,6 ÷ 10 m/s.
- Các động cơ diesel cao tốc trung bình có số vòng quay cao: n = 600 ÷ 1000
v/ph, C
m

= 6,6 ÷ 10 m/s.
- Các động cơ diesel cao tốc: n > 1000 v/ph, C
m
> 10 m/s.
Trên các tàu cỡ vừa và cỡ nhỏ, người ta sử dụng các động cơ diesel 4 kỳ tăng
áp và không tăng áp, loại trung tốc đảo chiều và không đảo chiều (375 ÷ 750) v/ph
và loại có số vòng quay cao, không đảo chiều (750 ÷ 3.000) v/ph làm động cơ
chính. Công suất nhỏ nhất của động cơ chính là 4 kW và công suất cực đại của tổ
hợp động cơ chính đạt đến 2200 kW.
Ngược lại, các động cơ diesel thủy thấp tốc (100 ÷ 170) v/ph loại 2 kỳ tác
dụng đơn có con trượt được dùng phổ biến trên các tàu giao thông cỡ lớn. Chúng
chiếm 75% công suất thiết bị năng lượng mới. Sở dĩ các động cơ này dùng phổ biến
trên các tàu giao thông là vì chúng có các ưu điểm sau:
- Tính kinh tế nhiệt cao và có khả năng làm việc với nhiên liệu nặng.
- Có khả năng truyền công suất trực tiếp đến chân vịt.
- Tuổi thọ cao.



- 8 -
Bên cạnh những ưu điểm của động cơ diesel, có những nhược điểm sau:
- Nhược điểm cơ bản thuộc về bản chất của TBNL diesel là sử dụng cơ cấu tay
quay – thanh truyền. Do vậy, khi động cơ làm việc xuất hiện các lực và mômen
không đều, gây ra rung động và truyền đến thân tàu. Do đó làm xuất hiện các hiệu
ứng cộng hưởng, rút ngắn thời gian phục vụ của thiết bị. Việc thay đổi lực tiếp
tuyến trên các khuỷu trục và tốc độc góc của nó tạo ra mômen xoắn không đều và
do đó tạo khả năng dao động xoắn trên hệ trục.
- TBNL diesel có hệ thống bôi trơn, hệ thống làm mát, hệ thống khởi động và
đảo chiều tương đối phức tạp.
1.3.2 TBNL tuabin khí tàu thủy.

- TBNL tuabin khí tàu thủy là một loại động cơ nhiệt, trong đó nhiệt năng biến
thành cơ năng nhờ những bộ phận quay có cánh.
















5
1 6
2 8
3
4
a
b c

Hình 1.1. Sơ đồ đơn giản của một TBNL tuabin khí tàu.
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
li
ệu. b
-
Không khí. c
-
Khí th
ải.




- 9 -
- TBNL tuabin khí tàu thủy được chia thành các thiết bị chu trình hở và các
thiết bị chu trình kín:
+ TBNL tuabin khí tàu thủy chu trình hở: Môi chất công tác lúc đầu là không
khí và sau đó là hỗn hợp không khí cháy với sản phẩm cháy của nhiên liệu, đi qua
các khe bên trong các phần tử thiết bị, trao đổi năng lượng trong đó rồi được thải ra
ngoài khí quyển.
+ TBNL tuabin khí tàu thủy chu trình kín: Chỉ có một môi chất công tác.
Chúng hoạt động theo chu trình kín, cách ly với khí quyển. Khi sử dụng TBNL
tuabin khí chu trình kín áp suất môi chất công tác cao thì có thể nhận được công
suất thiết bị lớn, trong khi kích thước và khối lượng nhỏ. Đặc biệt nhờ sự cách ly
môi chất bên ngoài nên TBNL tuabin khí chu trình kín không gây ô nhiễm môi
trường xung quanh.
Những ưu điểm và nhược điểm của TBNL tuabin khí tàu thủy so với các kiểu
TBNL khác:
Ưu điểm:

- Công suất tổ hợp thiết bị lớn, trong khi khối lượng và kích thước nhỏ, diện tích
chiếm chỗ và thể tích buồng máy nhỏ.
- Độ tin cậy cao, nhờ nguyên tắc tác động quay và sự đơn giản của sơ đồ động.
- Đơn giản trong việc bảo dưỡng, có khả năng khởi động nhanh và tính tăng tốc
cao.
- Có khả năng nghiên cứu hoàn thiện chu trình nhiệt và kết cấu nhằm nâng cao
hiệu suất và giảm chi phí nhiên liệu.
- Thích nghi tốt với việc tự động hoá và điều khiển từ xa do đơn giản được việc
khởi động và điều khiển.
Nhược điểm:
- Tính kinh tế tương đối thấp vì nhiệt độ ban đầu của khí cháy bị giới hạn.
- Sự phụ thuộc của độ tin cậy và tính kinh tế của thiết bị tuabin khí chu trình hở
vào sự ăn mòn của môi trường ngoài.



- 10 -
- Yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng nhiên liệu sử dụng trong thiết bị tuabin khí
chu trình hở và chi phí cho nó lớn.
- Khó đảo chiều của các thiết bị cỡ lớn.
- Kích thước ống không khí và khí cháy lớn nên gây phức tạp cho việc lắp thiết
bị tuabin khí trên tàu.
Thiết bị năng lượng tuabin khí được chế tạo và ứng dụng trên tàu từ những
năm đầu của thế kỷ trước và là một loại TBNL tàu thủy có công suất và tốc độ lớn.
Nhưng do tính ưu việt của TBNL động cơ diesel nên TBNL tuabin khí tàu thủy ít
được sử dụng phổ biến. Song, do nhu cầu vận tải lớn lượng hàng hoá trong tương
lai, TBNL tuabin khí sẽ là sự lựa chọn đầu tiên thay thế cho động cơ diesel.
1.3.3 TBNL tuabin hơi tàu thủy.
Trong TBNL tuabin hơi thì môi chất công tác được tuần hoàn không ngừng
theo vòng kín, trong đó diễn ra sự thay đổi trạng thái của môi chất công tác (nước –

hơi nước – nước).
Thiết bị năng lượng tuabin hơi đơn giản có sơ đồ hình 1.2 .






Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý TBNL tuabin hơi tàu thủy.
1. Chân vị. 2. Hộp số. 3. Tuabin hơi.
4. Nồi hơi. 5. Bơm cấp.
6. Thi
ết bị ng
ưng t
ụ.


7.M
ạch n
ư
ớc l
àm ngu
ội.




- 11 -
Trong thiết bị này, nhiệt năng tỏa ra nhờ đốt cháy nhiên liệu được cung cấp
cho nồi hơi (4). Nước trong nồi hơi nhận nhiệt này biến thành hơi bão hòa, rồi thành

hơi quá nhiệt, hơi quá nhiệt được đưa đến tuabin (3) qua hệ thống miệng phun. Tại
miệng phun nơi tiến hành giãn nở, biến một phần thế năng thành động năng rồi
được đưa vào dãy cánh công tác của tuabin để biến động năng thành cơ năng, làm
quay trục tuabin. Công suất do tuabin sản ra được truyền qua hộp số (2), đến chân
vịt (1). Hơi nước sau khi ra khỏi tuabin (3) được đưa đến thiết bị ngưng tụ (6) để
biến thành nước, rồi được bơm cấp (5) cấp trở lại nồi hơi (4), hoàn thành chu trình
công tác.
TBNL tuabin hơi được sử dụng trên các tàu hơi nước cỡ lớn của hạm tàu biển.
Nó cho phép tạo ra công suất chung trên trục chân vịt của tàu đến 220.10
3
kW và
lớn hơn nữa.
1.3.4 TBNL nguyên tử tàu thủy.
TBNL nguyên tử tàu thủy có lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị sinh nhiệt.
Sơ đồ nguyên lý TBNL nguyên tử được thể hiện trên hình 1.3.








Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý thiết bị năng lượng nguyên tử.
1. Vỏ. 2. Thanh kìm hãm phản ứng. 3. Lò
phản ứng.
5. Tuabin hơi. 4. Thiết bị trao đổi nhiệt . 6. Hộp

- 12 -
Nhiên liệu được sử dụng trong TBNL nguyên tử tàu thủy là Uranium U
235
.
Bản chất phản ứng dây chuyền là hạt nhân U
235
khi phân rã tạo thành 2 ÷ 3 nơtron
nhanh thứ cấp mới, chúng có một năng lượng đến 2 MeV và tốc độ 20000 Km/s.
Trong các điều kiện xác định, các nơtron thứ cấp này tạo nên phản ứng phân rã các
hạt nhân U
235
khác. Khi các phản ứng hạt nhân xảy ra thì sinh ra lượng nhiệt khổng
lồ, lượng nhiệt này sử dụng để biến nhiệt năng thành cơ năng phục vụ cho việc đẩy
tàu và các nhu cầu khác. TBNL nguyên tử là một loại thiết bị nhiệt với yêu cầu kỹ
thuật cao và đòi hỏi độ an toàn tuyệt đối cao đối với người sử dụng. Chính vì thế
loại hình thiết bị nay chỉ có một số quốc gia có công nghệ kỹ thuật cao mới sản xuất
được như: Mỹ, Đức, Nga, Trung quốc, Anh….Trong Tương lai, do nhu cầu về năng
lượng thì TBNL nguyên tử sẽ là một loại thiết bị năng lượng được chú trọng phát
triển.

- 13 -

CHƯƠNG 2:

ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ
NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
C
Ủ
A THI
ẾT BỊ NĂNG



- 14 -
2.1. Khái niệm, thành phần và phân loại TBNL tuabin khí tàu thủy.
2.1.1. Khái niệm TBNL tuabin khí tàu thủy.
TBNL tuabin khí tàu thủy là loại TBNL sử dụng thiết bị tuabin khí làm máy
chính cho tàu, ngoài ra còn có một số máy móc, thiết bị phụ, đường ống…nhằm
phục vụ cho hoạt động của con tàu.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy là một loại động cơ nhiệt, trong đó nhiệt năng biến
thành cơ năng nhờ những bộ phận quay có cánh. Cơ năng này được truyền đến các
hộ tiêu thụ (chân vịt, chiếu sáng, nâng chuyển…).
Quá trình chuyển đổi năng lượng trong TBNL tuabin khí tàu thủy 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.
2.1.2. Thành phần TBNL tuabin khí tàu thủy.
Cũng giống như các loại TBNL khác trên tàu thủy, TBNL tuabin khí tàu thủy
bao gồm:
- Thiết bị năng lượng chính:
+ Thiết bị tuabin khí.
+ Máy móc, thiết bị phụ: Máy khởi động, ắc quy đánh lửa….
+ Các hệ thống phục vụ: Hệ thống nhiên liệu, hệ thống bôi trơn….
+ Hệ trục và bộ truyền.
- Thiết bị năng lượng phụ bao gồm các máy móc biến đổi và sử dụng năng
lượng của thiết bị tuabin khí sinh ra. TBNL phụ bao gồm: Máy phát tuabin khí, trạm
ắcqui… và các hệ thống phục vụ cho các thiết bị năng lượng phụ ( hệ thống nhiên
liệu của máy phát tuabin…).
- Các máy móc và thiết bị của hệ thống chung toàn tàu như: Hệ thống cấp nước
sinh hoạt, hệ thống sưởi ấm , hút khô, dằn và cân bằng tàu, cứu hỏa….).
- Các hệ thống điều khiển, kiểm tra và bảo vệ tự động từ xa của thiết bị tuabin
khí và các TBNL phụ, các máy móc và thiết bị của hệ thống chung toàn tàu.



- 15 -
Trong TBNL tuabin khí tàu thủy thì thiết bị tuabin khí là bộ phận cốt lõi, mang
tính chất đặc trưng riêng cho loại TBNL tuabin khí tàu thủy. Chính vì thế, trong quá
trình tìm hiểu, nghiên cứu về TBNL tuabin khí tàu thủy, phần lớn tập trung tìm hiểu
và nghiên cứu thiết bị tuabin khí.
2.1.3. Phân loại TBNL tuabin khí tàu thủy.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy là bộ phận cốt lõi trong TBNL tuabin khí tàu thủy,

chính vì thế, tùy theo mục đích sử dụng và yêu cầu khác nhau của mỗi con tàu mà
thay đổi cấu trúc của thiết bị tuabin khí tàu thủy cho phù hợp. Việc phân loại TBNL
tuabin khí tàu thủy cũng có thể được hiểu rằng đó là việc phân loại thiết bị tuabin
khí tàu thủy.
Những yêu cầu đặt ra cho thiết bị tuabin khí tàu thủy đã được các nhà chế tạo
thiết bị tuabin khí giải quyết bằng cách bố trí về cấu trúc khác nhau, nhờ đó có thể
xếp thiết bị tuabin khí tàu thủy theo một số nhóm.
Trong các nhóm này các thiết bị tuabin khí tàu thủy, ở mức độ nhất định có
những tính chất hay những dấu hiệu cấu trúc chung. Ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc
của thiết bị tuabin khí tàu thủy là loại chu trình, lĩnh vực sử dụng thiết bị này, chi
phí cho sự thay đổi phụ tải, loại nhiên liệu, tuổi thọ, quy mô sản xuất của một loại
nhất định, kinh phí và khả năng sản xuất của cơ sở chế tạo…. Trong thực tế người
ta có thể phân thiết bị tuabin khí tàu thủy thành các loại sau:
- Dựa theo chu trình công tác:
Thiết bị tuabin khí tàu thủy chu trình kín.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy chu trình hở.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy chu trình có hoàn nhiệt.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy chu trình không hoàn nhiệt.
- Dựa theo quá trình cháy:
Thiết bị tuabin khí tàu thủy cháy đẳng áp
Thiết bị tuabin khí tàu thủy cháy đẳng tích
Thiết bị tuabin khí tàu thủy cháy hỗn hợp.



- 16 -
- Dựa theo quá trình giãn nở:
Thiết bị tuabin tàu thủy khí xung lực.
Thiết bị tuabin tàu thủy khí phản lực.
- Dựa theo số cấp giãn nở:

Thiết bị tuabin tàu thủy khí một cấp.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy nhiều cấp.
- Dựa theo hướng dòng:
Thiết bị tuabin khí tàu thủy dọc trục.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy hướng kính.
- Dựa theo hình dạng của rôto tuabin khí có thể chia thành:
Thiết bị tuabin khí tàu thủy rôto có đĩa.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy rôto tang trống.
- Dựa theo công dụng có thể phân ra:
Thiết bị tuabin khí tàu thủy tàu thuỷ.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy máy bay.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy máy phát điện.
Sự phân loại thiết bị tuabin khí tàu thủy quyết định bởi những phần tử cấu trúc
được sử dụng và cách bố trí các phần tử cơ bản của thiết bị tuabin khí. Trong đó có
phản ánh những kinh nghiệm và khả năng của các hãng chế tạo.
2.2. Lịch sử phát triển thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy.
Lịch sử phát triển của thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy gắn liền với sự
hình thành và phát triển của thiết bị tuabin khí. Lịch sử phát triển của thiết bị tuabin
khí ở những thời kỳ đầu có liên quan đến việc tìm kiếm chu trình thích hợp và trong
phạm vi giới hạn của vật liệu chế tạo cũng như mức phát triển thấp của khí động
học. Từ cuối thế kỷ XVIII, hàng loạt các đề án thiết kế về thiết bị tuabin khí được ra
đời. Nhưng do trình độ kỹ thuật lúc này còn thấp, nên các đồ án không thực hiện
thành công.
Vào năm 1872, kỹ sư người Đức tên là Stol đã nhận được bằng phát minh về
thiết bị tuabin khí và thiết kế thiết bị tuabin khí. Đến đầu thế kỷ sau (1900 – 1904)



- 17 -
đồ án của ông được đưa vào chế tạo và chạy thử thiết bị tuabin khí này có đầy đủ tất

cả các thành phần cấu tạo của một thiết bị tuabin khí hiện đại như ngày nay.
Năm 1902, Moss đã chế tạo thiết bị tuabin khí dùng để quay quạt nạp không
khí cho động cơ đốt trong kiểu piston.
Năm 1905, Armangen và Laval đưa vào vận hành thiết bị tuabin khí với công
suất 500 KW có nhiệt độ vào 560
o
C làm việc theo chu trình đẳng áp.
Năm 1909, Holzwarth cho vận hành thiết bị tuabin khí với công suất 150 KW
với chu trình đốt đẳng tích.
Những thiết bị tuabin đốt đẳng áp đầu tiên có hiệu suất khoảng 3%, do hiệu
suất thấp của quá trình nén và nhiệt độ thấp của sản phẩm cháy trước tuabin. Những
thiết bị tuabin khí với quá trình cháy đẳng tích lúc đầu có hiệu suất tốt hơn nhưng
hiệu suất không vượt 14% với điều kiện vận hành khó hơn.
Sự hoàn thiện thiết bị tuabin khí về mặt vật liệu chế tạo cũng như mẫu thiết kế
thích hợp càng rõ ràng sau nhiều năm vận hành và những lần thử có ý nghĩa.
Năm 1930, nhà phát minh nổi tiếng Whittle đã thiết kế một thiết bị tuabin khí
cho động cơ máy bay. Ưu điểm nổi bật của thiết bị này khi dùng cho máy bay so
với các động cơ đốt trong kiểu piston là hiệu suất nhiệt cao hơn. Năm 1937, dưới sự
chỉ đạo của nhà phát minh, đã thành công đưa vào sử dụng động cơ máy bay kiểu
tuabin đầu tiên.
Năm 1938, hãng BBC đưa vào vận hành thiết bị tuabin khí chạy máy phát điện
với công suất 40000 kW trong nhà máy điện ngầm dự trữ của Thụy Sĩ.
Tốc độ phát triển của thiết bị tuabin khí đặc biệt tăng nhanh trong chiến tranh
thế giới thứ hai, các nước tham chiến đều tìm kiếm những phương tiện đặc biệt
mạnh và các loại động cơ có sức kéo trội hơn để dùng cho các tàu chiến, máy bay
chiến đấu với tốc độ cao. Điều này thúc đẩy tốc độ phát triển thiết bị tuabin khí.
Sự phát triển của thiết bị tuabin khí sau chiến tranh càng sâu và mạnh hơn.
Trong lĩnh vực quốc phòng, thiết bị tuabin khí được sử dụng chủ yếu trong các tàu

- 18 -
chiến, các hạm tàu và đã loại động cơ piston ra khỏi các tàu chiến và máy bay chiến
đấu. Đồng thời, thiết bị tuabin khí ứng dụng rộng ra lĩnh vực dân sự như: máy phát
điện…
Sự phát triển về khí động học, phần truyền dòng khí của máy nén và của
tuabin khí, của thiết bị đốt và vật liệu chế tạo. Tất cả những vấn đề trên đã thúc đẩy
và tập hợp nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác như lĩnh vực của các tàu có công
suất lớn, máy quay có cánh quạt trong công nghiệp, giao thông vận tải… ngày càng
phát triển và xích lại gần nhau hơn.
Ngày nay, thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy được sử dụng rộng rãi. Nó
đang thay thế dần thiết bị năng lượng diesel tàu thủy trên các tàu công suất lớn,
trọng tải lớn và đặc biệt trong các tàu phục vụ cho quốc phòng.
2.3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị tuabin khí tàu thủy.
2.3.1. Sơ đồ cấu tạo.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy là một loại thiết bị nhiệt có kỹ thuật cao, bao gồm
nhiều chi tiết và hệ thống phức tạp, đòi hỏi công nghệ chế tạo tiên tiến. Hơn nữa,
tùy theo yêu cầu sử dụng của thiết bị năng lượng tua bin khí mà có cấu tạo khác
nhau. Chính vì thế, xin đưa ra một sơ đồ đơn giản của thiết bị tuabin khí tàu thủy.










Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo thiết bị tuabin khí tàu thủy.

- 19 -

2.3.2. Nguyên lý làm việc thiết bị tuabin khí tàu thủy.



















Không khí từ ngoài môi trường được hút qua cửa nạp (1), vào máy nén khí
(MNK) (2). Ở đó không khí được nén đến một áp suất nhất định rồi được đưa vào
buồng đốt (BĐ) (3). Trong khi đó nhiên liệu được đưa đến vòi phun (4) và phun vào
BĐ. Trong BĐ, nhiên liệu hòa 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 BĐ, buji sẽ đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp này. Sau đó hỗn hợp nhiên liệu +
không khí tự duy trì sự cháy sau khi buji ngừng đánh lửa. Sản phẩm cháy có nhiệt
5
7

1 6
2 8
3
4
a
b c
7
Hình 2.2. Sơ đồ đơn giản của một TBNL tuabin khí.
1- Cửa nạp. 2- Máy nén khí. 3- Buồng đốt. 4- Vòi phun.
5- Tua bin. 6- Cửa thải. 7- Bích nối với tải (chân vịt).
8
-
Bích
n
ối với máy công tác (chân vịt).




- 20 -
độ phù hợp đi tiếp vào tuabin (TB) (5). Trước tiên khí công tác đi qua thiết bị phun
(TBP) của TB (để tăng tốc và thay đổi hướng cho phù hợp với góc đặt cánh công
tác) rồi đi vào bánh công tác (BCT) của TB. Khi đi qua rãnh cánh công tác của TB,
động năng của khí công tác biến thành công cơ khí để quay BCT sau đó thoát ra

ngoài qua cửa (6).
Như vậy, khi thiết bị tuabin khí tàu thủy làm việc thì hóa 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 công cơ khí để quay BCT
và cấp công suất cho các hộ tiêu thụ qua trục của tuabin.
2.4. Các chu trình làm việc điển hình của thiết bị tuabin khí tàu thủy.
2.4.1. Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp.
2.4.1.1. Sơ đồ cấu tạo thiết bị tuabin khí tàu thủy đơn giản một trục không
có hoàn nhiệt.

1
2
3
4
p
v
1
2
3
4
T
S
Hình 2.4. Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp.
1-2: Là quá trình nén đẳng Entrôpi. 2-3: Là quá trình cấp
3

2

1

Hình 2.3. Sơ đồ cấu tạo thiết
bị tuabin khí tàu thủy không



- 21 -
2.4.1.2.Công lý thuyết của chu trình (công riêng).
lt
i

l : Công riêng có ích của chu trình (KJ/Kg) nó bằng hiệu số của các công
riêng của tuabin (
lt
tb
l ) và máy nén(
lt
mn
l ).


lt
mn
lt
tb
lt
i
lll  .
Trong đó:

)1()(
)1()(
3
4
34343
1
2
11212
T
T
TCTTCiil

T
T
TCTTCiil
pp
lt
tb
pp
lt
mn



)1()1(
1
2
1
3
4
3

T
T
TC
T
T
TCl
pp
lt
i

4321
,,, iiii : là entalpi của chất khí (KJ/Kg).
4321
,,, TTTT : Nhiệt độ tuyệt đối của chất khí ở đầu và cuối trước mỗi quá trình (
0
k).

p
C : Nhiệt dung riêng đẳng áp của chất khí (KJ/Kg.
0
k).
Nếu theo quá trình đoạn nhiệt:

k
k
k
k
p
p
T
T
và
p
p
T
T
1
1
2

3
4
1
1
2
1
2

















Trong đó: 
1
2
p
p


k
: Là tỷ số tăng áp suất trong máy nén.

1
3
T
T
 : Là tỷ số tăng nhiệt độ.
m
k
k


1
(
m
 0,286);
k
: Hệ số nén đoạn nhiệt.
Từ đó ta có:


)1()1(
1

 m
k
m
kp
lt

i
TCl

(KJ/Kg) .
2.4.1.3. Hiệu suất nhiệt của chu trình.
η
t
: Hiệu suất nhiệt của chu trình.
Ta có:
1
2
1
21
1
q
q
q
qq
t





Trong đó: q
1
:

Là nhiệt lượng cấp vào.

- 22 -
q
2
: Là nhiệt lượng thải ra của môi chất công tá
c.
Hay
1
q
l
lt
i
t



q
1
= i
3
– i
2
= C
p
(T
3
– T
2
) = C

p
T
1
)(
1
1
2
1
3
m
p
TC
T
T
T
T











(KJ/Kg)
Ta thay thế và biến đổi sẽ được:



)(
)1()1(
1
1
m
kp
m
k
m
kp
t
TC
TC







=


)(
)1()1(
m
k
m

k
m
k







)/1(1
)1)(/1(1



m
k
m
k
m
k
t




(1)
Từ biểu thức (1) ta thấy khi tăng tỷ số tăng áp suất của khí nén trong máy
nén, làm cho hiệu suất nhiệt của chu trình lý thuyết tăng.
Khi p

2
= p
1
(
k
= 1) thì : 
t
= 0.
Còn khi 
k
  thì 
t
 1 (chỉ có ý nghĩa lý thuyết). Điều này có nghĩa là 
t

đạt giá trị max khi 
k
đạt tới một giá trị tới hạn.
Giá trị tới hạn của 
k
ứng với chế độ mà máy nén nén không khí đạt đến
nhiệt độ khí cháy trong tuabin (T
2
= T
3
). Khi đó 
tmax
= 1 – 1/ tức là chu trình
giống chu trình các nô. Hiệu suất nhiệt phụ thuộc gián tiếp vào chỉ số .

2.4.1.4. Nhận xét.
Từ các các công thức trên ta nhận thấy: Biện pháp nâng cao hiệu suất của
thiết bị tuabin khí tàu thủy là nâng cao nhiệt độ T
2
truớc tuabin, T
2
càng cao bao
nhiêu thì hiệu suất 
t
càng tăng bấy nhiêu. Điều này đúng cho sơ đồ bất kỳ của thiết



k


k

th


max



k
=1


l
e

Hình 2.5: Mối quan hệ
gi
ữa hiệu suất v
à công



- 23 -
bị tuabin khí tàu thủy và các loại tuabin khí vì T
2
là nhiệt độ lớn nhất của chu trình
vì vậy sự nâng của nó sẽ luôn dẫn đến tăng hiệu suất nhiệt. Nhưng giá trị nhiệt độ
trước buồng đốt T
2
hiện cho phép hiện nay theo điều kiện làm việc tin cậy và tuổi
thọ của thiết bị tuabin khí đặt cố định công suất lớn nhất thì T
2
= 1000 ÷ 1400
0
K.
Sự tăng tiếp nhiệt độ này sẽ bị giới hạn chủ yếu bởi độ bền và độ cứng chịu lửa của
vật liệu chế tạo cánh và rôto của tuabin khí. Đối với các thiết bị tuabin khí tàu thủy
thường sử dụng nhiên liệu dầu nặng (dầu ma dút), có chứa nhiều tạp chất, muốn hạn

chế quá trình rỉ ở nhiệt độ cao cần giảm nhiệt độ trước tuabin T
2
xuống 920
0
K.
Điều này tất nhiên là làm giảm hiệu suất của thiết bị.
2.4.2. Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp có hoàn nhiệt.
Một phương tiện nổi bật để nâng cao hiệu suất là bộ trao đổi nhiệt, trong đó
một phần nhiệt của khí thải được truyền cho không khí nén trước khi vào buồng đốt.
Nhờ vậy, nhiệt lượng cần cấp cho chu trình giảm xuống, η
t
tăng lên. Sơ đồ được vẽ
trên hình 2.6.













Chu trình cấp nhiệt đẳng áp có hoàn nhiệt là một chu trình được sử dụng
nhiều trên thiết bị tuabin khí tàu thủy. Sơ đồ chu trình đựợc vẽ trên hình 2.7.

4

3
1

2
Hình 2.6. Sơ đồ cấu tạo thiết bị tuabin khí tàu
thủy có hoàn nhiệt.
1- Máy nén khí. 2- Tuabin.
3- Thiết bị hoàn nhiệt. 4- Buồng đốt.



- 24 -













Theo sơ đồ này thì không khí sau máy nén (1) đi qua thiết bị hoàn nhiệt (3).
Tại đây không khí nén nhận được một phần nhiệt lượng q
N
của chất thải từ tuabin.

Không khí được sấy nóng đi vào buồng đốt (4), rồi sinh công trong tuabin (2).
q
N
= (T
2’
– T
2
): Phần nhiệt tận dụng được của khí thải để sấy nóng không khí.
q
max
= C
p
( T
4
- T
2’
): Là phần nhiệt lớn nhất mà khí thải ra khỏi tuabin có thể
tận dụng được để sấy nóng không khí.
Nếu ký hiệu:
max
q
q
R
N
T
 : Được gọi là độ hoàn nhiệt.
Hay ta có:
'24
2'2
TT

TT
R
T


 .
Hiệu suất nhiệt của chu trình được xác định theo biểu thức sau:

k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
t
1
2
11
1
2
1

1




































v
p
1
2 3
4
2
’

4
’

1
2
3
4
T
S
2
’

4
’

Hình 2.7. Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp có hoàn

nhiệt.
1
-
2
: Quá trình nén.
2
-
2
’
: Q
uá trình nh
ận
nhi
ệt từ khí thải



- 25 -
Trong đó:
1
3
T
T


là tỷ số giữa nhiệt độ cao nhất và nhiệt độ thấp nhất của chu trình.
Nhận xét : Đối với thiết bị tuabin khí tàu thủy thường sử dụng bộ phận hoàn
nhiệt để tăng công suất cho thiết bị. Nhưng khi trang bị bộ phận này quan tâm : Đối
với những thiết bị tuabin khí tàu thủy có bộ hoàn nhiệt có R < 0,5 ảnh hưởng của
hoàn nhiệt đến hiệu suất của thiết bị tuabin khí ít hiệu quả. Giá trị R thực tế được

xác định bởi bề mặt đốt nóng của bộ trao đổi nhiệt. Ở phần lớn thiết bị tuabin khí
tàu thủy hiện đại có bộ trao đổi nhiệt thường R
T
= 0,6 ÷ 0,8. Trong đó hiệu quả kinh
tế trong chi phí nhiên liệu có kể tới hồi nhiệt là 22 ÷ 28 %. Khi R
T
> 0,8 bệ đốt của
bộ trao đổi nhiệt có kích thước và khối lượng rất lớn . Vì vậy sự lựa chọn giá trị R
T
thích hợp nhất là tùy thuộc vào sơ đồ và yêu cầu sử dụng của thiết bị tuabin khí tàu
thủy dựa trên những tính toán kinh tế kỹ thuật. Mặt khác, khi có thiết bị hoàn nhiệt
trong chu trình sẽ làm tăng trở thủy lực trong đường ống không khí và chất khí và
điều này làm giảm hiệu suất thiết bị tuabin khí tàu thủy. Khi trở lực quá lớn hiệu
quả tốt của sự sử dụng hoàn nhiệt không còn. Sự hoàn nhiệt cho phép nâng cao hiệu
quả kinh tế của thiết bị tuabin khí không chỉ ở chế độ định mức mà còn ở chế độ
non tải vì lúc đó hiệu suất của thiết bị có dùng nhiệt giảm chậm hơn ở thiết bị không
dùng hoàn nhiệt. Hơn nữa, chu trình có hoàn nhiệt không phù hợp khi phải khởi
động nhanh và thường xuyên thay đổi phụ tải.
2.4.3. Chu trình thực của thiết bị tuabin khí tàu thủy.
Trong thực tế, ở các thiết bị tuabin khí tàu thủy trình nhiệt động học rất phức
tạp. Ở đây chỉ xin đưa ra chu trình nhiệt động đơn giản (một tuabin, một máy nén).
2.4.3.1. Chu trình của thiết bị tuabin khí tàu thủy đơn giản, có tính đến
tổn thất trong tuabin và máy nén.
2.4.3.1.1. Đồ thị của chu trình.
Như vậy, trong chu trình thiết bị tuabin khí tàu thủy đơn giản các điểm (2) và
(6) trong chu trình thực sẽ dịch chuyển về phía tăng entrôpi. Điều này dẫn đến tăng
công cho việc nén khí ở máy nén và giảm công giãn nở ở tuabin.