bài giảng chi tiết nồi hơi tua bin

PHẦN II: TUA BIN HƠI TÀU THỦY
CHƯƠNG I: NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA TUA BIN HƠI
1.1. Nguyên lý chung của dòng hơi, hoạt động của tầng tua bin
1.1.1 Nguyên lý tác dụng xung kích, đặc tính xung kích

Hình 1.1. Tác dụng xung kích biến đổi động năng thành cơ năng

Cho một dòng hơi có động năng lớn thổi vào một bản phẳng (hình 1.1a), dòng hơi tác dụng lên bản
phẳng với ba thành phần: Đẩy vật dịch chuyển theo phương chiều dịch chuyển của dòng hơi; ma sát sinh
nhiệt tại chỗ của dòng hơi và bản phẳng; bắn hạt hơi bật trở lại theo mọi phương. Trong ba thành phần, tác
dụng đảy bản 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 làm công có ích của dòng hơi tăng lên, nếu hai thành
phần tổn thất năng lượng kia giảm thì thành phần xung kích sẽ tăng. Nếu ta thay đổi bề mặt phằng thành mặt
cong và vị trí thổi hợp lý, ta sẽ giảm được hai tổn thất đó và tác dụng của dòng hơi tăng lên (hình 1.1b)
Khảo sát dòng hơi chảy trong cánh bán nguyệt (hình 1.2):
Khi dòng chảy dọc theo bề mặt cánh các hạt hơi ở a, b, c hay bất kỳ điêm nào trên cánh đều xuất hiện lực
ly tâm P tác dụng lên cánh. Trong đó, thành phần Pa vuông góc với phương của dòng chảy, chúng đối xứng
và triệt tiêu lẫn nhau nên không ảnh hưởng tới chuyển động của cánh, thành phần Pu tổng hợp thành lực làm
dịch chuyển cánh. Trên thực tế, các prôphin của cánh tua bin không hình thành bán nguyệt, phương của dòng
hơi trùng với phương chuyển động của cánh.

1. Ống phun
2. Cánh động

3. Bánh động
4. Trục rôto

Hình 1.2. Nguyên lý tác dụng xung kích của hạt hơi có khối lượng chuyển động lên cánh

Động năng của dòng hơi càng lớn thì công cơ học dòng hơi càng lớn. Để tạo ra động năng cho dòng hơi,
người ta bố trí phía trước dãy cánh một bộ phận phun hơi là ống phun. Trong ống phun dòng hơi có thế năng

ban đầu po giãn nở áp suất, tốc độ lưu động tăng. Thế năng của dòng hơi được biến đổi thành động năng khi
93


ra khỏi ống phun được thổi vào rãnh của cánh. Khi dòng hơi lưu động từ cửa vào của ống phun đến mép ra
của rãnh cánh đã thực hiện một dòng hoàn chỉnh. Một cụm bao gồm ống phun và rãnh cánh như vậy gọi là
một tầng xung kích của tua bin. Trong tầng xung kích, hơi chỉ giãn nở trong ống phun, trên rãnh cánh hơi
không giãn nở do rãnh cánh được làm đối xứng.

1.
2.
3.
4.
5.
6.

Ống phun
Cánh động
Bánh động
Trục
Đường hơi ra
Vỏ tua bin

Hình 1.3. Sơ đồ tầng xung kích

1.1.2 Nguyên lý tác dụng phản kích, đặc tính tầng phản kích
Khác với tầng xung kích, rôto của tần phản kích quay được không chỉ dựa vào tác dụng xung kích của
dòng hơi mà còn nhờ vào tác dụng phản lực của dòng hơi trên cánh. Tác dụng phản lực sinh ra khi hơi giãn
nở trên rãnh cánh do biên dạng của cánh không đối xứng.
Khi chảy qua ống phun.

Áp suất Po giảm xuống P1 ;
Tốc độ dòng hơi Co tăng lên thành C1 nhờ sự giãn nở của dòng hơi, biến áp năng thành động năng
Do các cánh có prôphin đặc biệt (gần giống ống phun) cho nên khi dòng chảy vào cánh sẽ xảy ra sự giãn
nở lần thứ hai làm áp suất tiệp tục giảm P2, động năng tăng, C2 nhỏ. Sự giãn nở của dòng hơi trong các rãnh
cánh gây ra gia tốc của dòng trong đó, gia tốc tạo lên phản lực tác dụng lên prôphin cánh.
Với tầng phản kích, lực tổng hợp tác dụng lên cánh sẽ gồm :
- Lực xung kích Px
- Lục dọc trục Pa = P1 – P2 (chênh áp lực)
- Lực phản kích Pp
Lực tổng hợp Pu = P + Pa = Px + Pp + P1 − P2

94


Hình 1.4. Sơ đồ tầng phản kích

Mức độ phản kích được tính bằng tỷ số của nhiệt giáng lý thuyết do giãn nở trên cánh và nhiệt giáng lý
thuyết do giãn nở trên toàn tầng (%), mức độ phản kích bằng 40 – 60 %, thực tế là 50 %
1.1.3 Tua bin nhiều tầng
Khi dùng tua bin một tầng thì năng lượng thải còn tương đối lớn và không tận dụng được hết. Vì vậy
người ta dùng tua bin nhiều tầng, do các kiểu liên hợp khác nhau giữa các tầng xung kích và phản xung kích
cấu tạo nên.
a. Tua bin xung kích nhiều cấp độ - Tua bin xung kích vành đôi Kertic (hình1.5)

Hơi vào ống phun có áp suất là Po, tốc độ chảy Co. Trong ống phun, hơi giãn nở làm giảm áp suất
xuống P1, tốc độ tăng lên C1 và được thổi vào cánh động thứ nhất. Trong rãnh cánh này, động năng được
95


chuyển thành cơ năng lần thứ nhất và quá trình xảy ra dưới áp suất không đổi do rãnh cánh xung kích

không giãn nở.
Trên rãnh cánh P1 = P2, tốc độ giảm từ C1 xuống C2. Ra khỏi rãnh cánh động thứ nhất dòng hơi được
dẫn vào cánh hướng. Trong cánh hướng, dòng hơi không biến đổi năng lượng mà chỉ thay đổi hướng
chảy để vào cánh động hai sao cho cùng chiều với CH 1. Vị trí của cánh hướng như cấp tầng ống phun
nhưng chức năng khác hẳn nhau. áp suất qua cánh hướng là không đổi còn vận tốc có giảm chút ít (gần
như không thay đổi). Ra khỏi CH, dòng hơi chảy vào rãnh CĐ 2 thực hiện quá trình biến đổi năng lượng,
động năng của dòng hơi biến đổi thành cơ năng lần 2. Khi chảy qua CĐ 2, áp suất không đổi P1 = P2 = P4,
tốc độ giảm xuống từ C3 đến C4. Hơi thải chỉ mang động năng rất nhỏ ứng với tốc độ C 4 nhỏ hơn C3. Tổn
thất hơi thải giảm, hiệu suất tua bin tăng lên.
b. Tua bin xung kích nhiều tầng áp suất (hình1.6)
Trong tầng xung kích thứ hai, nếu ta thay ống phun vào vị trí của rãnh cánh hướng thì dòng hơi sẽ
diễn lại quá trình biến đổi năng lượng như ở tầng trước làm thành quá trình sinh công hoàn chỉnh. Trạng
thái hơi áp suất P2, tốc độ C2 la trạng thái hơi ban đầu của tầng thứ hai. Trong tầng thứ hai, ở ống phung
áp suất giảm từ P2 xuống P3, tốc độ tăng từ C2 lên C3. Trong rãnh cánh động áp suất không đổi P 3 = P4,
tốc độ giảm từ C3 xuống C4. Sau tầng thứ hai, nếu ta lắp thêm các tầng thứ 3, thứ 4 .... thì qúa trình sin
công diễn ra hoàn toàn tương tự. Trên trục tua bin bố trí bao nhiêu tầng sẽ có ngần ấy quá trình giãn nở
áp suất hơi giảm, ngần ấy lần sinh công.

c.Tua bin xung kích hỗn hợp, tua bin hỗn hợp xung kích và phản kích
Các tua bin chính tàu thủy ứng dụng rộng rãi kiểu tua bin xung kích hỗn hợp nhiều cấp tốc độ với nhiều
cấp áp lực, tua bin hỗn hợp xung kích và phản kích. trong các tua bin kiểu hỗn hợp này dòng hơi thực hiện
quá trình sinh công liên tục trong các tầng, thứ tự theo chiều chảy dọc của dòng. Quá trình biến đổi năng
lượng trên mỗi tầng tuân theo đặc tính xung kích hay phản kích của tầng đó như đã trình bày ở phần trên.
Các hình vẽ (hình 1.7,1.8) giới thiệu các kiểu tua bin thông dụng trên tàu.

96


Hình 1.7. Các kiểu tua bin xung kích hỗn hợp

Hình 1.8. Tua bin hỗn hợp xung kích - phản kích

1.2. Đặc điểm, phân loại tua bin tàu thủy
1.2.1 Đặc điểm của tua bin tàu thủy với các loại động lực tàu thủy
Động cơ tua bin tàu thủy có một loạt các ưu điểm mà các động lực khác không thể có:
1. Tua bin có quá trình sinh công liên tục là quá trình sinh công có lợi nhất cho các cơ nhiệt. Điều này
các động cơ tàu thủy khác không có nhờ đó mà tua bin có thể sử dụng tốc độ cao cho chất công tác và các bộ
phận máy, làm tăng công suất, hiệu suất, giảm khối lượng và kích thước. Các tua bin hiện đại có tốc độ từ
3500V/p đến 15000V/p và cao hơn nữa. Cũng do quá trình sinh động liên tục nên tải trọng cơ, nhiệt trong các
bộ phận máy được giữ ở chế độ ổn định không thay đổi. Nhờ vậy độ bền các chi tiết máy tăng lên, động cơ
có tuổi thọ cao việc chế tạo động cơ đơn giản, gọn nhẹ.
2. Tua bin có tính kinh tế cao, các chất công tác có khả năng giãn nở lớn. Thế năng ban đầu được sử
dụng triệt để. Các tua bin hiện đại đã dùng hơi có thông số ban đầu P = 20 ÷ 100 kG/cm2 nhiệt độ 600 ÷
650oC giãn nở đến áp suất thải 0,05 ÷ 0,03kG/cm2.
3. Tất cả các bộ phận chuyển động của tuabin được gắn vào một khối (rôtô) và chỉ chuyển động quay
tròn theo một chiều cùng một tốc độ. Không có chi tiết chuyển động lui tới, các chi tiết chuyển động song
phẳng điều này giảm được nhiều tổn thất cơ giới, loại trừ tác động theo chu kỳ này chấn động máy. Máy làm
việc êm, độ bền cao hiệu suất cao, kết cấu đơn giản gọn nhẹ sử dụng an toàn và làm việc tin cậy.
4. Tua bin là động cơ có khả năng sinh công lớn phạm vị sử dụng công suất rộng mà các động cơ khác
không có. Các tua bin tàu thủy có thể làm việc với các công suất từ vài chục đến vài vạn mã lực. Công suất
càng lớn thì hiệu suất càng cao, suất trọng lượng, suất thể tích nhỏ.
5. Trọng lượng nhẹ thể tích nhỏ đặc biệt có lợi đối với tàu cần độ nhanh thể tích và trọng tải có tích lớn.
Công suất tua bin càng lớn thì ưu điểm này càng rõ. So sánh trọng lượng máy trên 1 đơn vị công suất, thể
97


tích tua bin trên một đơn vị công suất, bảng sau đây liệt kê của các loại động cơ nhiệt đối với phạm vi công
suất thường dùng trên tàu biển.
Chỉ số kinh tế và trọng lượng của các động cơ tàu thủy hiện đại với các dạng khác nhau đối với tàu
buôn công suất bình thường.

Dạng thiết bị
Tua bin hơi nước, thông số ban đầu
cao, công suất đến 12000ml
Tua bin khí với hoàn nhiệt công
suất 6000ml
Máy hơi nước, thông số hơi ban
đầu cao, công suất 2000ml
Động cơ đốt trong thấp tốc công
suất 1000ml tăng áp bằng tuabin khí
xả, truyền động trực tiếp chân vịt
Động cơ đốt trong cao tốc công
suất 4000ml. Truyền động gián tiếp

Hiệu suất nhiệt
(%) (đ/c + bộ
truyền động)

Tiêu thụ nhiên
liệu kg/ml.h

Trọng lượng
kg/ml (đ/c)

~ 22,5

~ 0,29

~ 60,0

~ 25,5

~ 0,25

~ 30,0

~ 19,5

~ 0,168

~ 80,0

~ 37

~ 0,168

~ 110

~ 28

~ 0,220

~ 100

6. Điều khiển, sử dụng dễ dàng, làm việc tin cậy độ sẵn sàng cao. Chi phí sửa chữa phục vụ ít điều kiện
làm việc nhẹ nhàng.
7. Có nhiều khả năng để hiện đại hóa. Có thể sử dụng với năng lượng nguyên tử. Sử dụng tua bin tàu
thủy có nhiều triển vọng lớn.
Nhược điểm:
1. Tua bin chỉ quay một chiều không tự đảo chiều được vì vậy bố trí riêng một tua bin khác cho tàu

chạy lùi. Việc này làm tăng tổn thất công suất của hệ thống do phải kéo cả những bộ phận làm việc trong
hành trình làm tăng trọng lượng và kích thước máy. Trên tàu thủy dùng chân vịt biến bước hay truyền động
thì nhược điểm này được khắc phục.
2. Vòng quay của tua bin lớn hơn rất nhiều so với vòng quay thích hợp của chân vịt. Công suất tua bin
càng lớn mâu thuẫn này càng tăng. Vì vậy trong hệ động lực tua bin phải bố trí truyền động giảm tốc trung
gian và chân vịt. Điều đó làm tăng kích thước trọng lượng và giảm hiệu suất của hệ thống. Các tua bin có
công suất bé việc bố trí truyền động giảm tốc càng giảm tính ưu việt của tua bin. Thực tế trên các tàu nhỏ
người ta không bố trí hệ động lực tua bin hơi.
3. Hiệu suất chung của toàn hệ thống còn thấp với động cơ diesel. Các động cơ diesel hiện đại có công
suất từ 36 ÷ 42 hệ thống tua bin tàu thủy mới chỉ có 22 ÷ 26%.
Hệ thống tua bin khí thủy mới chỉ đạt 22 ÷ 28%. Nhược điểm này đang được quan tâm hàng đầu trong
việc hiện đại hóa tua bin hơi tàu thủy để có thể phổ biến cho các tàu thủy hiện đại và phạm vi công suất và
trọng tải rộng rãi.
1.2.2 Phân loại tua bin hơi tàu thủy
1. Phân theo chức năng.
- Tua bin chính: quay trục chân vịt bao gồm hành trình tiến và tua bin lùi.
- Tua bin phụ: để lai các máy phụ như máy phát điện phục vụ, bơm các loại thiết bị phục vụ nồi hơi và
hệ thống.
2. Phân theo cấu tạo.
98


- Tua bin nhiều thân: thông thường loại hai thân, thân cao áp đặt tua bin cao áp, thân thấp đặt tua bin
thấp áp và tua bin lùi. Loại này đi cùng với bộ truyền động bánh răng hay thủy lực.
- Tua bin một thân: toàn bộ các tầng chỉ cấu tạo một trục phần cao áp là tua bin cao áp, phần thấp áp là
tua bin thấp áp giữa hai phần có buồng điều áp trung gian tua bin này thường dùng với truyền động điện.
3. Phân theo đặc tính quá trình làm việc.
- Tua bin xung kích: Bao gồm các kiểu xung kích hỗn hợp nhiều cấp áp lực, nhiều cấp tốc độ. Tua bin
xung kích được ứng dụng ở vùng cao áp.
- Tua bin phản kích nhiều tầng thường dùng ở vùng trung áp hay thấp áp.

- Tua bin hỗn hợp xung kích, phản kích.
4. Phân loại theo thông số hơi.
- Tua bin cao áp: làm việc với hơi có thông số ban đầu P > 35 kG/cm2 ; t > 400oC
- Tua bin trung áp: làm việc với hơi có thông số ban đầu 6 > P ≤ 35kG/cm2; t < 400oc
- Tua bin thấp áp: làm việc với hơi có thông số ban đầu P < 6kg/cm2.
5. Theo đối đáp và ngưng tụ:
- Tua bin ngưng tụ: hơi nước được giãn nỡ từ áp suất ban đầu đến trạng thái hơi có áp suất 0,06 ÷
0,04kG/cm2 được làm ngưng thành nước tuần hoàn trở lại nồi hơi. Tuabin chính của tàu thủy chỉ cấu tạo
ngưng tụ.
- Tua bin đối áp: hơi thải có áp suất lớn hơn áp suất khí quyển 1,5 ÷ 3 kG/cm2 không thải vào bầu
ngưng tụ mà đưa vào các thiết bị tận dụng nhiệt, hâm nước và nhu cầu sinh hoạt trên tàu, các tua bin tàu thủy
thường ứng dụng đối áp.
6. Theo sự truyền động trung gian
- Truyền động trực tiếp: dùng để lai máy phát, máy phụ. Trong một vài trường hợp đơn giản công suất
nhỏ có thể trực tiếp cho chân vịt quay nhanh.
- Truyền động cơ giới: thông dụng là truyền động bánh răng hai cấp loại này có hiệu suất cao kết cấu
nặng nề, kích thước lớn. Thường dùng cho tua bin công suất lớn loại hai thân vòng quay lớn.
- Truyền động điện: điều khiển nhạy, đảo chiều nhanh chỉ cần tua bin chính quay một chiều. Thường
dùng dùng tua bin một thân công suất trung bình. Hiệu suất thấp hơn kiểu cơ giới.
- Truyền động thủy lực: điều khiển nhạy, làm việc đảm bảo có thể dùng với mọi công suất mọi tốc độ
khác nhau. Hiệu suất cao nhưng chế tạo đắt sử dụng cần có kỹ thuật cao. Truyền động thủy lực đi với chân
vịt biến bước rất có lợi hiệu quả kinh tế cao. Là kiểu tiên tiến đang được phát triển cho các tua bin hiện đại.
7. Theo kiểu giãn hơi.
- Tua bin hướng trục: phổ biến thông dụng cho tàu thủy, sửa chữa dễ nhưng kích thước trọng lượng
lớn.
- Tua bin hướng tâm: hiệu suất cao, gọn nhẹ nhưng công suất không lớn chế tạo sửa chữa phức tạp
Câu hỏi ôn tập
1.
2.
3.

4.

Trình bày nguyên tắc tác dụng xung kích của dòng hơi. Đặc tính tầng xung kích ?
Trình bày nguyên tắc tác dụng phản kích của dòng hơi. Đặc tính tầng phản kích ?
Trình bày tua bin xung kích nhiều cấp áp lực và nhiều cấp tốc độ ?
Trình bày đặc điểm và phân loại tua bin hơi tàu thủy ?

99