Tài liệu Tua bin khí (Gas Turbine) pdf

Tua bin khí (Gas Turbine) -Phần 01
Thiết bị tuabin khí là động cơ nhiệt trong đó hóa năng (năng lượng
liên kết hóa học) của nhiên liệu được biến đổi thành cơ năng nhờ
những bộ phận của máy quay có cánh. Quá trình chuyển đổi năng
lượng trong động cơ này có
thể thực hiện bằng những chu trình
nhi
ệt động khác nhau, trong đó có hai loại chu trình cơ bản thực sự
có ý nghĩa là:
- Chu trình v
ới quá trình cháy đẳng áp, đó là chu trình Bragton.
- Chu trình v
ới quá trình cháy đẳng tích, đó là chu trình
Hunphrey.
Tuabin khí 3 trục
Lịch sử phát triển 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.
Nếu như dự thảo thiết kế thiết bị tuabin khí có từ trước thế kỷ 20
thì cách thiết kế thích hợp với thực tế phải đến đầu thế kỷ 20 mới
thực hiện được: năm 1902 Moss đã chế tạo tuabin khí dùng để
quay quạt nạp không khí cho động cơ đốt trong kiểu piston. Trong
năm 1905 Armangen và Laval đưa vào vận h
ành thiết bị tuabin khí
với công suất 400KW có nhiệt độ vào 5600C làm việc theo chu
trình đẳng áp.
Năm 1909 Holzwarth cho vận hành thiết bị tuabin khí với công
suất 150KW với chu trình đẳng tích.
Những 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. Những thiết bị tua bin khí với quá trình cháy đẳng tích lúc
đầu có hiệu suất tốt hơn nhưng không vượt 14% với điều kiện vận
hành khó hơn.
Sự hoàn thiện tua bin 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 1922 Pescara phát minh tổ hợp động cơ piston đốt trong
không cần cơ cấu thanh truyền với tuabin khí được dùng làm
ngu
ồn công suất hữu ích.
B
ằng cách bố trí này có thể đạt được hiệu suất cao hơn trong các
máy phát năng lượng với nhiệt độ tương đối thấp v
à nguyên liệu
lại rẻ hơn.
Nhà phát minh nổi tiếng Whittle năm 1930 đã thiết kế một thiết bị
tua bin khí cho động cơ máy bay. Ưu điểm nổi bật của thiết bị này
khi dùng cho máy bay so v
ới các động cơ đốt trong kiểu piston là
hi
ệu suất nhiệt cao hơn. Năm 1973 dưới sự lãnh đạo của nhà phát
minh đã đưa vào vận hành động cơ máy bay kiểu tua bin đầu tiên.
Năm 1938 hãng BBC đưa vào vận hành thiết bị tua bin khí chạy
máy phát điện với công suất 4000KW, trong nhà máy điện ngầm
dự trữ của Thụy Sĩ.
Nhịp điệu phát triển của tua bin 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 máy bay chiến đấu với tốc độ cao. Điều
này thúc đẩy tốc độ phát triển tua bin khí.

Sự phát triển của tua bin khí sau chiến tranh càng sâu và mạnh hơn
theo những hướng chủ yếu trong chiến tranh thế giới đã tới mức
chỉ trong thời gian rất ngắn, tua bin khí dùng cho máy bay đã loại
động cơ piston ra khỏi lĩnh vực quốc ph
òng và sau đó là các máy
bay dân dụng, rồi tới những máy móc nhỏ đặc biệt có công suất
thấp.
Sự phát triển của tua bin máy bay đặc biệt đẩy nhanh sự phát triển
khí động học phần truyền d
òng khí (các dãy cánh) của máy nén và
c
ủa tua bin, của thiết bị đốt và vật liệu chế tạo. Tất cả những vấn
đề trên đ
ã thúc đẩy và tập hợp nhiều ngành, khoa học kỹ thuật khác
như lĩnh vực của các máy quay có cánh quạt trong công nghiệp,
giao thông vận tải ngày càng phát triển và xích lại gần nhau hơn.
Sự phát triển thiết bị tua bin khí trong công nghiệp lúc đầu một mặt
do ảnh hưởng của kinh nghiệm từ tua bin máy bay yêu cầu gọn,
nhẹ và dễ thiết kế ( như của hãng General Electric). Hướng khác
do ảnh hưởng của cấu tạo thiết bị tua bin hơi trong nhà máy nhiệt
điện với cách phân chia th
ành từng phần tử cấu thành riêng trong
t
ừ tổ hợp. Thực tế thường phải thiết kế theo hai hướng trên do yêu
c
ầu sử dụng trong công nghiệp những nguồn năng lượng cố định
hay di chuyển được.
Ngày nay thiết bị tua bin khí được sử dụng rộng rãi. Nó đang chèn
ép những động cơ kiểu piston trong phạm vi công suất cao nhất và
thi

ết bị hơi nước trong phạm vi công suất thấp (như các trạm phát
điện b
ù tải ngọn hoặc dự trữ).
Những lĩnh vực sử dụng thiết bị tua bin khí:
1. Trong vận tải, cụ thể là ngành hàng không, đường sắt và
đường thủy (hiện đang bắt đầu với động cơ ô tô).
2. Ngành năng lượng – Các nhà máy nhiệt điện…
3. Ngành vận chuyển dầu và khí trong khoảng cách lớn.
4. Ngành công nghiệp hóa học và luyện kim.
5. Các tổ hợp thiết bị phụ để bơm, truyền động hay vận chuyển…
6. Các quạt nạp khí của các động cơ nhiệt kiểu piston.
7. Trong các lĩnh vực mới như năng lượng hạt nhân kỹ thuật tên
l
ửa, thiên văn và vũ trụ học.
Thiết bị tua bin khí là động cơ nhiệt chạy bằng sản phẩm cháy với
tủ số đặc biệt của công nén trên công hữu ích có những đặc điểm
là:
-
Ưu điểm:
1. Bố cục gọn, sử dụng không gian và diện tích phía trước cao,
yêu cầu nguyên vật liệu nhỏ.
2. Tính cơ động vận hành cao, như mở máy nhanh khả năng thay
đổi tải lớn.
3. Động cơ với những vật thể quay (rotor).
4. Vận hành không cần nước hoặc yêu cầu nuớc ít hơn so với
thiết bị hơi.
- Nhược điểm:
1. Công suất giới hạn nhỏ hơn thiết bị hơi nuớc.
2. Giá thành nhiên liệu cao.
3. Giá thành vật liệu chi phí sản xuất cao hơn.