Bài báo cáo đề tài: Tăng Áp Tua-Bin Khí

Chia sẻ: Trantiencanh Canh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

482
lượt xem 133
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Với những ưu điểm nổi bật của mình như tăng công suất, tăng hiệu suất cháy, giảm khí thải động cơ tăng áp ngày càng được sử dụng phổ biến. Kể từ khi Gottlieb nhận bằng phát minh sáng chế số DRP 34.926 về tăng áp cho động cơ đốt trong cưỡng bức năm 1885 cho đến nay tăng áp đã trả qua một qua trình phát triển lâu dài. 06/03/1896 Rudolf Diesel nhận bằng phát minh sáng chế sô DRP 95.680 về tăng áp cho động cơ tự bốc cháy....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài báo cáo đề tài: Tăng Áp Tua-Bin Khí

Bài báo cáo đề tài: Tăng Áp Tua-Bin Khí HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 1
MỤC LỤC Phần I: khái quát chung I. Các phương pháp tăng áp chủ yếu II. Phương pháp tăng áp tuabin khí. A. Tăng áp tuabin khí B. Bộ tuabin tăng áp Phần II: Các hệ thống tăng áp tuabin khí I. Các hệ thống tăng áp chính II. Làm mát trung gian cho không khí tăng áp III. Một số hư hỏng thường gặp và biện pháp khắc phục Lời kết Tài liệu tham khảo HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 2
LỜI NÓI ĐẦU Với những ưu điểm nổi bật của mình như tăng công suất, tăng hiệu suất cháy, giảm khí thải động cơ tăng áp ngày càng được sử dụng phổ biến. Kể từ khi Gottlieb nhận bằng phát minh sáng chế số DRP 34.926 về tăng áp cho động cơ đốt trong cưỡng bức năm 1885 cho đến nay tăng áp đã trả qua một qua trình phát triển lâu dài. 06/03/1896 Rudolf Diesel nhận bằng phát minh sáng chế sô DRP 95.680 về tăng áp cho động cơ tự bốc cháy. Phát minh chỉ ra khả năng thực hiện nén nhiều cấp trong động cơ 1 xylanh bằng cách bố trí thêm một bơm nén trước đường nạp. Tuy nhiên người đã thực sự gắn liền tên tuổi của mình với tăng áp chính là kỹ sư người Thụy Sĩ Alfred Buchi. Ngày 16/11/1905, Alfred Buchi nhận bằng phát minh sáng chế mang số DRP 204630 từ văn phòng phát minh Reich, Đức.Tuy kết cấu đầu tiên này của Alfred Buchi chưa được hoàn chỉnh nhưng cũng là nền móng cho những cải tiến sau này của ông. Càng ngày công nghệ tăng áp càng phát triển, nhất là trong vòng 3 thập kỉ trở lại đây. Kéo theo đó là hàng loạt những cải tiến trên các phương tiện vận tải. Công nghệ tăng áp động cơ đốt trong sử dụng máy nén là công nghệ tăng áp được sử dụng rất phổ biến ngày nay. Tăng áp dùng máy nén gồm 2 loại : tăng áp cơ khí (Mechanical Supercharging) và tăng áp tuabin khí (Exhaust Gas Turbocharging). Trong tăng áp cơ khí, máy nén được dẫn động từ trục khuỷu động cơ. Còn trong tăng áp tuabin khí máy nén được dẫn động nhờ tuabin tận dụng năng lượng khí xả của động cơ đốt trong. Với những kiến thức đă học và đọc thêm ở các tài liệu chuyên ngành em xin được trình bày các hiểu biết của em về công nghệ tăng áp sử dụng tuabin khí. Tuy nhiên do trình độ và kiến thức còn hạn chế nên trong thời gian làm đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em kính mong nhận sự chỉ bảo của thầy để vốn kiến thức của em về tăng áp có thể hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cám ơn. HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 3
Phần I: Khái quát chung. - Động cơ không tăng áp, trực tiếp hút không khí từ ngoài trời, do bị hạn chế về số lượng không khí hút vào xilanh nên tiềm lực nâng cao công suất động cơ không lớn. Nếu dùng một máy nén riêng để nén trước không khí rồi đưa vào xilanh động cơ xẽ có thể làm tăng mật độ không khí, qua đó làm tăng khối lượng không khí nạp vào xilanh mỗi chu trình, vì vậy xẽ có thể làm tăng công suất động cơ. Cách làm ấy được gọi là tăng áp. - Tăng áp đối với không khí đưa vào xilanh có thể làm tăng công suất động cơ rất nhiều. tuy nhiên đối với động cơ xăng khi tăng áp thường dễ gây kích nổ, tạo nên nhiều khó khăn trong sử dụng thực tế, nên rất ít dùng. Với động cơ điêden không có khó khăn trên, nên tăng áp là biện pháp cường hóa pe tốt nhất. Đặc biệt thời gian gần đây, do có tiến bộ nhanh về kĩ thuật tuabin và máy nén nên phạm vi sử dụng tăng áp ngày một mở rộng và áp suất tăng áp ngày một nâng cao làm cho không những tính năng động lực học của động cơ tốt hơn động cơ không tăng áp mà còn hạ thấp suất tiêu hao nhiên liệu. Tuy nhiên càng nâng cao mức độ tăng áp, động cơ điêden được cường hóa càng nhanh về Pe xẽ làm tăng phụ tải cơ khí cũng như phụ tải nhiệt của động cơ, do đó phải đặt ra những yêu cầu càng khắt khe khi chế tạo các chi tiết của nhóm pistong, các loại bạc trục, xupap, nắp xilanh… ngoài ra cũng đòi hỏi tạo ra hệ thống nhiên liệu mới với quy luật cấp nhiên liệu khắt khe hơn, vòi phun có áp suất cao hơn và hệ thống tăng áp tuabin khí hoàn hảo hơn. I. Các phương pháp tăng áp chủ yếu.  Dựa vào nguồn năng lượng để nén không khí trước khi đưa vào động cơ, người ta chia các phương pháp tăng áp thành bốn nhóm sau: 1. Tăng áp dẫn động cơ khí.(supercharger) HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 4
- truyền động từ trục khuỷu động cơ, qua bánh răng, xích hoặc dây đai dẫn động máy nén khí kiểu ly tâm, kiểu ly tâm, kiểu roto, phiến gạt hoặc kiểu trục vít… 2. Tăng áp nhờ năng lượng khí thải.(turbocharger) - Nguồn năng lượng để nén không khí được lấy từ khí thải. nhóm này lại được chia ra hai loại: a) Tăng áp tuabin khí: máy nén được dẫn động bởi tuabin khí hoạt động nhờ năng lượng khí thải của động cơ. Không khí từ ngoài trời qua máy nén được nén tới áp suất cao rồi vào xilanh động cơ. Do tăng áp tuabin khí được dẫn động nhờ năng lượng khí thải, không phải tiêu thụ công suất động cơ như tăng áp cơ khí, nên có thể làm tăng tính kinh tế của động cơ, nói chung có thể giảm tiêu hao nhiên liệu khoảng 3- 10%. Động cơ tăng áp cao, thường lắp két làm mát trung gian nhằm giảm nhiệt độ, qua đó nâng cao mật độ không khí tăng áp đi vào động cơ. Khi hoạt động ở những vùng cao nguyên, công suất của động cơ tăng áp tuabin khí còn tạo điều kiện giảm ồn, giảm thành phần độc hại trong khí xả, do đó loại này đang được sử dụng nhiều nhất hiện nay. Những động cơ diesel từ 35kW đến 35000kW phần lớn đều dùng tăng áp tuabin khí( tới 70-80%). HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 5
Tăng áp tuabin khí b) Tăng áp bằng sóng khí: Khí thải của động cơ tiếp xúc trực tiếp với không khí trên đường tới xilanh, trong bộ tăng áp bằng sóng khí, để nén số không khí này trước khi được nạp vào động cơ. 3. Tăng áp hỗn hợp. - Trên một số động cơ, ngoài phần tăng áp tuabin khí còn dùng thêm một bộ tăng áp dẫn động cơ khí. Ví dụ trên động cơ hai kì, để có áp suất khí quét cần thiết khi khởi động cũng như chạy ở tốc độ thấp và tải nhỏ, phải sử dụng tăng áp hỗn hợp. tăng áp hỗn hợp được thực hiện theo hai phương án: lắp nối tiếp và lắp song song. 4. Tăng áp nhờ hiệu ứng động của dao động áp suất. - Lợi dụng hiện tượng lưu động không ổn định của dòng khí trên đường ống dẫn, do tính giãn đoạn của các quá trình nạp, thải của động cơ gây ra bằng cách bố trí hợp lý kích thước các đường nạp và thải nhằm làm tăng không khí nạp vào xilanh mỗi chu trình. - Trong thực tế sử dụng, ngoài 4 cách tăng áp chính kể trên còn có các hệ thống tăng áp và các phương pháp tổ hợp khác thích hợp cho từng trường hợp cụ thể, thỏa mãn nhu cầu tăng áp cho động cơ. II. Phương pháp tăng áp tuabin khí. A. Tăng áp tuabin khí. 1. Công dụng - Tăng áp tuabin khí là phương án tăng áp dùng tuabin làm việc nhờ năng lượng khí xả của động cơ đốt trong để dẫn động máy nén. Khí xả của động cơ đốt trong có áp xuất và nhiệt độ rất cao HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 6
nên nhiệt năng của nó tương đối lớn. muốn khí thải sinh công nó phải được dãn nở trong một thiết bị để tạo ra công cơ học. nếu để nó dãn nở trong xilanh động cơ đốt trong thì dung tích của xilanh xẽ rất lớn, làm cho kích thước của động cơ đốt trong quá lớn, nặng nề. điều này mặc dù làm tăng hiệu suất nhiệt nhưng nhưng tính hiệu quả được đánh giá bằng giá trị áp suất trung bình sẽ rất nhỏ. Để tận dụng tốt năng lượng khí xả, người ta cho nó giãn nở đến áp suất môi trường và sinh công trong cánh tuabin. - trong số năng lượng nhiệt cung cấp cho động cơ không tăng áp, chỉ có khoảng 30-40% được chuyển thành công có ích, nhiệt vật lý của khí thải đem ra ngoài trời chiếm khoảng 40-50%. Nếu dùng tuabin khí để số khí thải có nhiệt độ cao kể trên được tiếp tục giãn nở sinh công, trước khi thải ra ngoài trời và dùng công ấy để dẫn động máy nén tăng áp( tránh dùng công suất có ích của động cơ) sẽ có thể nâng cao công suất có ích và cải thiện tính kinh tế của động cơ. Tăng áp tuabin khí chính là một thiết bị thực hiện việc thu hồi một phần năng lượng của khí thải, số năng lượng thu hồi này chiếm tới 5-10% toàn bộ năng lượng nhiệt cấp cho động cơ. - Tăng áp tuabin khí vận hành bằng năng lượng thừa trên đường xả của động cơ. Cơ cấu này nén hỗn hợp nhiên liệu qua két làm mát, trộn với 1 phần khí xả và đưa chúng trở lại buồng đốt. - Buchi đưa ra ý tưởng tận dụng năng lượng động học sinh ra từ khí thải áp suất lớn để nén hỗn hợp khí nạp trước khi vào động cơ. Buchi sử dụng dòng khí thải để vận hành tua-bin, qua đó, nén dòng khí nạp trước khi vào động cơ, kỹ thuật của ông mang tên turbocharger - tăng áp tua-bin. Mặt cắt của turbocharger, màu đỏ: khí thải, màu xanh: khí nạp. 2. Cấu tạo. HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 7
- Nó bao gồm một tua bin hướng trục lắp trên cùng một trục với máy nén li tâm, trục của tuabin máy nén được đỡ bởi hai ổ lăn đặt ngoài. Cụm tuabin máy nén này được trang bị bộ giảm âm rất tốt, toàn bộ vỏ, dòng khí vào và ra tuabin đều được làm mát bằng nước. - Bộ tăng áp đặt ngay sát động cơ và có cấu tạo như hình trên. Nguyên lý hình thành tăng áp dựa trên cơ sở tận dụng động năng của dòng khí xả, khi đi ra khỏi động cơ, làm quay máy nén khí. Dòng khí xả đi vào bánh tuốc bin 1, truyền động năng làm quay trục 2, dẫn động bánh 3, khí nạp được tăng áp đi vào đường ống nạp động cơ. Áp suất tăng áp khí nạp phụ thuộc vào tốc độ động cơ (tốc độ dòng khí xả hay tốc độ quay của bánh 1). Với mục đích ổn định tốc độ quay của bánh 1 trong khoảng hoạt động tối ưu theo số vòng quay động cơ, trên đường nạp có bố trí mạch giảm tải 9 (hình vẽ). Mạch giảm tải làm việc nhờ van điều tiết 6, thông qua đường khí phản hồi 7 và cụm xy lanh điều khiển 8. Khi áp suất tăng áp tăng, van 6 mở, một phần khí xả không qua bánh tuốc bin 1, thực hiện giảm tốc độ cho bánh nén khí nạp, hạn chế sự gia tăng quá mức áp suất khí nạp. B. Bộ tuabin tăng áp. a. Công dụng. - Tubin khí là thiết bị biến đổi nội năng và thế năng của chất khí thành cơ năng, quá trình biến đổi này được thực hiện nhờ có sự tác động tương hỗ giữa dòng khí và cánh tubin. Nội năng và thế năng của chất khí trước tiên được biến đổi thành động năng, sau đó là quá trình biến đổi động năng thành cơ năng (quay bánh công tác) trong tuabin. Các quá trình này được thực hiện trong vòi phun (hai cánh hướng) và bánh công tác. HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 8
b. Phân loại. - bộ tuabin tăng áp gồm có hai phần chính là máy nén và tuabin khí cùng các cơ cấu phụ như bạc đỡ trục, thiết bị bao kín, các hệ thống bôi trơn và làm mát… - Dựa vào dòng chảy trong tuabin khí người ta chia ra làm hai loại: tuabin tăng áp hướng trục và tuabin tăng áp hướng kính. Cả hai loại trên đều được phát trển song song. Nói chung bộ tuabin tăng áp hướng kính dùng cho những trường hợp cần lưu lượng nhỏ(đường kính ngoài của bánh công tác nhỏ hơn 180 mm) còn bộ tuabin tăng áp hướng trục dùng cho các trường hợp cần lưu lượng lớn (đường kính ngoài của bánh công tác lớn hơn 260 mm). với trường hợp đường kính ngoài của bánh công tác từ 180-260 mm, người ta dùng cả hai loại trên. 1. Bộ tuabin tăng áp hướng kính. - Dòng khí chuyển động theo hướng từ ngoài vào tâm và đi ra theo chiều trục, khí được dãn nở trong cánh dẫn hướng sau đó là bánh công tác. - Về mặt kết cấu, bánh công tác của tuabin hướng kính giống công tác của máy nén ly tâm. Dòng khí vào tubin theo chiều từ ngoài vào trong, tuy nhiên cũng có tubin hướng kính có dòng khí đi từ tâm ra. - Với sự phát triển của kĩ thuật, người ta có thể sử dụng kỹ thuật đúc để tạo ra các cánh tuabin từ vật liệu coban, niken hoặc titan cho phép sản xuất có tính công nghiệp những tuabin chiều hướng tâm và đi ra theo chiều trục, với kết cấu này bảo đảm cho dòng khí được thoát ra một cách dễ dàng. Loại tuabin này có ưu điểm vượt trội so với tuabin hướng trục khi đường kính ngoài của nó nằm trong khoảng 125-300 mm. ngày nay, tuabin hướng kính thường có đường kính dưới 160 mm. tuabin có đường kính trên 300 mm thường là tuabin hướng trục. Nếu một động cơ có cùng áp suất có ích trung bình thì khi được trang bị bằng tuabin hướng kính có nhiệt độ khí xả thấp hơn so với khi được trang bị bằng tubin hướng trục. Nhờ đó sau khi đi qua bộ tuabin tăng áp, không khí đã được nén sơ bộ trước khi đi vào động cơ. Các bộ tuabin tăng áp lưu lượng nhỏ đều dùng HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 9
loại tuabin tăng áp hướng kính vì với lưu lượng nhỏ hiệu suất của tuabin hướng kính cao hơn loại hướng trục, ngoài ra còn có thêm những ưu điểm đặc biệt: quán tính nhỏ, tính tăng tốc tốt, dung tích bé và cấu tạo đơn giản. bạc đỡ trục của bộ tuabin tăng áp hướng kính đều là bạc trôi hoặc bạc trượt. 2. Bộ tuabin tăng áp hướng trục. - Bộ tuabin thường do tuabin hướng trục và máy nén ly tâm tạo nên. Nguyên lý làm việc của bộ tuabin tăng áp hướng trục cũng tương tự bộ tuabin tăng áp hướng kính do Khí cháy đi vào tuabin có thế năng cao. Khi đi vào cánh hướng của tubin sẽ được dãn nở và làm cho vận tốc khí tăng lên, hướng chuyển động dòng khí thay đổi. dòng khí được gia tốc và tác dụng lên cánh tubin sinh ra công cơ học làm quay tubin. Với đặc điểm là: lưu lượng lớn, hiệu suất cao, thích hợp với động cơ dieden cỡ lớn và cỡ vừa. Bạc đỡ trục thường dùng bạc trượt hoặc các ổ bi. - Trong một thời gian dài ở thời kì đầu của sự phát triển, tuabin hướng trục được sử dụng để tăng áp cho động cơ đốt trong vì trong thời kì này chỉ có những động cơ diesel cỡ lớn và rất lớn mới có yêu cầu tăng áp. Những động cơ này hầu hết là các động cơ mà khi chưa tăng áp đã đạt được công suất không dưới 400 mã lực. tuy nhiên, về mặt trọng lượng giá cả và kích thước của loại tuabin này là hoàn toàn không thích hợp với loại động cơ cỡ nhỏ, đặc biệt là hiệu suất của tuabin hướng trục chỉ có thể chấp nhận được khi chiều cao của cánh phải tương đối lớn, ít ra phải lớn hơn 20 mm. 3. Máy nén ly tâm. Máy nén ly tâm là dạng máy nén chủ yếu dùng trong hệ thống tăng áp tua bin máy nén cho động cơ đốt trong nhờ các ưu điểm chủ yếu sau: - Kết cấu đơn giản, trọng lượng và kích thước nhỏ. - Chăm sóc và bảo dưỡng dễ dàng, thuận tiện. - Có thể làm việc với số vòng quay lớn nên có thể cho lưu lượng lớn. - Lưu lượng củ dòng cung cấp liên tục, đếu đặn. - Bôi trơn tương đối đối đơn giản và lưu lượng bôi trơn không lớn. Máy nén ly tâm có thể là loại một tầng hoặc nhiều tầng, song do kết cấu của loại máy nén ly tâm có nhiều tầng thực chất là sự nối tiếp các máy nén ly tâm một tầng lại với nhau nên khi nghiên cứu chỉ cần để tâm đến loại máy nén ly tâm một tầng. Máy nén ly tâm có thể có một miệng hút hoặc hai miệng hút kết cấu hai miệng hút có thể cho lưu lượng khí thông qua lớn hơn. Bánh công tác hay còn gọi là roto được dẫn động từ bên ngoài. Khi roto quay, dưới tác dụng của lực ly tâm, chất khí nằm giữa cánh và đĩa chuyển đông hướng kính theo hướng từ trong ra ngoài. a.cấu tạo. - Vỏ máy gồm cả cửa hút , cửa xả - Vỏ trong - Vách ngăn - Rôto gồm trục, bánh guồng HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 10
- ổ đỡ, ổ chặn - Vòng làm kín khuất khúc giữa các cấp - Bộ làm kín hai đầu trục a.1. Vỏ máy Vỏ máy là chi tiết có cấu tạo phức tạp, có khối lượng lớn, là giá đỡ cho các chi tiết khác. Trong vỏ máy có các ổ trục để đỡ các trục máy, có các áo nước để dẫn nước làm mát, có các khoang để dẫn khí. Vỏ máy được chế tạo thành 2 nửa để thuận tiện cho việc tháo lắp, tuy nhiên cũng có loại vỏ máy được chế tạo liền khối. Vỏ máy thường được chế tạo bằng gang xám hay bằng gang hợp kim. HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 11
a.2. Trục máy nén ly tâm Trục để lắp các bánh công tác lên đó nhận truyền động từ động cơ dẫn động, quay với vận tốc cao để thực hiện quá trình nén khí. Trục máy được lắp vào các các ổ đỡ trên vỏ máy. Trục máy được chế tạo bằng thép hợp kim. a.3. Bánh công tác - Bánh công tác được lắp trên trục máy quay theo trục máy để làm biến đổi động năng chất khí, thực hiện quá trình nén khí, trên bánh công tác có các bánh cong. Có 3 loại bánh công tác, bánh công tác hở, bánh công tác nửa hở, bánh công tác kín. - Bánh công tác nửa hở có thể có một đầu hút và hai đầu hút. Loại bánh công tác này được dùng trong các loại máy nén có vận tốc vòng lớn hơn 300 m/s. Ở đây, thân máy nén đóng vai trò đĩa trước, cánh máy nén thường được làm bằng hợp kim nhôm và thường được chế tạo liền với đĩa. Tuy nhiên, để đơn giản cho quá trình chế tạo bánh công tác, người ta có thể chế tạo cánh thành hai phần: Phần hướng kính được làm liền với đĩa sau còn phần vào của cánh được làm riêng theo kiểu cánh dọc trục. - Bánh công tác dạng kín thường được dùng nhiều trong các máy nén nhiều tầng có vận tốc vòng nằm trong khoảng 250-300 m/s. Bánh công tác loại kín gồm có ba phần: Đĩa trước, cánh và đĩa sau thương được chế tạo như sau: HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 12
Loại bánh công tác kín có cả ba phần đĩa trước, đĩa sau, cánh được đúc liền thường được sử dụng trong những máy nén có tốc độ vòng nằm trong khoảng 200-300 m/s. - Loại bánh công tác kín được làm rời từng phần sau đó lắp lại với nhau bằng đinh tán. Loại này được dùng trong các máy nén có vận tốc vòng nhỏ. Cánh công tác có thể chế tạo bằng phương pháp gò từ thép lá rồi gắn vào đĩa trước và đĩa sau bằng phương pháp hàn, đinh tán hoặc cánh có thể được phay định hình hoặc đúc liền với đĩa. - Loại cánh gò chỉ được dùng trong các máy nén có tốc độ vòng nhỏ, loại cánh được chế tạo bằng phương pháp phay định hình tuy gia công phước tạp nhưng nó cho phép giảm tổn thất dòng chảy trong bánh công tác làm cho hiệu suất của máy nén tăng. - Bánh công tác phải được lắp chặt và chính xác trên trục thông qua then, mối lắp ghép phải bảo đảm sao cho rôto làm việc bình thường ở mọi số vòng quay, đặc biệt là ở vòng quay cực đại. ngoài ra, trước khi lắp đặt, bánh công tác được cân bằng tĩnh và cân bằng động, sự cân bằng của bánh công tác phải có ý nghĩa cả khi máy nén làm việc ở vòng quay cực đại. a.4. Cánh định hướng (hay vách ngăn hay cánh tĩnh- diffusor) - Là một tấm kim loại đặt sát với bánh công tác, đóng vai trò dẫn hướng dòng khí đi từ cửa xả của cấp nén này tới cửa nạp của cấp nén kế tiếp, cánh định hướng được chế tạo bằng gang hoặc thép hợp kim. Cánh định hướng được gắn với vỏ và không quay theo trục máy. - Khí sau khi ra khỏi bánh công tác được dẫn vào diffusor có tiết diện tăng dần. theo phương trình bécnuli thì do có tiết diện tăng dần nên trong ống diffusor tốc độ dòng khí giảm dần và áp suất tăng dần, có nghĩa là động năng của dòng khí chuyển thành thế năng. Diffusor có cánh có kết cấu phức tạp nhưng lại có ưu điểm lón nhờ giảm dược tổn thất của dòng khí khi ra khỏi bánh công tác nên làm tăng hiệu suất và giam kích thước của máy nén. Cánh dẫn hướng của diffusor được gắn trên đĩa, cánh có thể đúc liền với đĩa hoặc gia công rồi gắn lên đĩa bằng vít. HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 13
a.5. ống vào(ống hút). - ống vào máy nén có dạng hình trụ hoặc hình nón, có tiết diện dẹp dần nhằm tăng tốc dòng khí vào. Trong ống vào có thể lắp thiết bị hướng dòng nhằm hướng dòng khí đi vào cánh máy nén dưới một góc tối ưu nhắm tránh va đập và làm tăng hiệu suất của máy nén. a.6. ống ra. - ống ra của máy nén có 3 dạng chủ yếu: hình vòng có tiết diện không đổi, hình xoắn ốc có tiết diện tăng dần như một ống diffusor hoặc ống ra có cánh nhằm ổn định và tăng áp suất khí nén. a.7. ổ đỡ. - ổ đỡ tuabin tăng áp là chi tiết làm việc trong điều kiện tốc độ lớn, tải trọng nhẹ, nhiệt độ cao. Muốn cho ổ đỡ hoạt động tốt, có độ tin cậy cao cần đảm bảo bố trí ổ đỡ hợp lý, cần giải quyết tốt các vấn đề cân bằng động phần quay (roto) của tuabin may nén, vấn đề cấu tạo và độ chính xác chế tạo về vật liệu và lắp đặt bản thân ổ đỡ, ngoài ra cần đảm bảo đủ áp suất và lưu lượng dầu bôi trơn tạo ra màng dầu thực hiện bôi trơn làm mát cho ổ đỡ. b. Nguyên lý hoạt động. - Trước khi bơm làm việc, cần phải làm cho thân bơm (trong đó có bánh công tác) và ống hút được điền đầy chất lỏng, thường gọi là mồi bơm . - Khi bơm làm việc, bánh công tác quay, các phần tử chất lỏng ở trong bánh công tác dưới ảnh hưởng của lực ly tâm bị văng từ trong ra ngoài, chuyển động theo các máng dẫn và đi vào ống đẩy với áp suất cao hơn, đó là quá trình đẩy của bơm. Đồng thời, ở lối vào của bánh công tác tạo nên vùng có chân không và dưới tác dụng của áp suất trong bể chứa lớn hơn áp suất ở lối vào của bơm, chất lỏng ở bể hút liên tục bị đẩy vào bơm theo ống hút, đó là quá trình hút của bơm. Quá trình hút và đẩy của bơm là quá trình liên tục, tạo nên dòng chảy liên tục qua bơm. Bộ phận dẫn hướng ra (thường có dạng xoắn ốc nên còn gọi là buồng xoắn ốc) để dẫn chất lỏng từ bánh công tác ra ống đẩy được điều hòa, ổn định và còn có tác dụng biến một phần động năng của dòng chảy thành áp năng cần thiết. 4. Bộ phận làm kín (vòng bít) a . Vòng đệm kín khuất khúc (hay làm kín kiểu răng lược - labyrinth seal) Vì cánh định hướng không quay theo trục máy, do vậy giữa chúng phải có một khe hở. Để tránh hiện tượng lọt khí nén ngược lại cửa nạp qua khe hở này người ta dùng vòng đệm kín khuất khúc. Vòng có dạng răng cưa, các răng này không chạm vào trục, để tránh làm hư hỏng trục khi chạm phải, vòng được làm bằng kim loại mềm, giữa các răng hình thành không gian, khí nén lọt vào không gian này chúng sẽ đổi hướng và chậm lại nhờ đó mà hạn chế được sự rò rỉ khí nén sang cửa nạp. Loại này không ngăn được hoàn toàn sự lọt khí do vậy chỉ dùng ở những nơi có áp suất thấp. Cũng có máy nén khí dùng loại vòng đệm này để làm kín giữa trục máy và vỏ máy để hạn chế sự lọt khí ra bên ngoài. Nếu máy nén khí độc hại thì cần có rãnh để gom khí rò rỉ ra để dẫn tới một nơi an toàn. HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 14
b. Vòng bịt kín kiểu tiếp xúc cơ học (hay bộ phận làm kín cơ khí - Mechanical Seal) - Các bộ phận chính của vòng bịt này là các vòng tĩnh và vòng động. Vòng động được bắt chặt với trục máy và quay theo trục, các mặt tiếp xúc giữa vòng tĩnh và vòng động ngăn không cho khí nén rò rỉ ra ngoài. Có loại phải sử dụng dầu bôi trơn bề mặt tiếp xúc để giảm ma sát. Vòng đệm này lắp ở đầu trục máy nén với vỏ để ngăn không cho khí nén lọt ra ngoài. Loại này thường được sử dụng với máy nén khí có áp suất tới 7 at c. Đệm màng lỏng (oil seal) - Để làm kín những máy nén khí có áp suất cao, người ta dùng đệm màng lỏng. Các HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 15
bộ phận chính gồm ống lót trong và ống lót ngoài không quay theo trục và có một khe hở với trục. Khi trục quay, dầu sẽ đi vào khe hở để làm kín không cho khí nén lọt ra ngoài. Loại đệm này ngăn sự lọt khí tốt nhất, tuy nhiên phải có một hệ thống dầu cao áp liên tục, dẩu phải cực sạch. Dầu sau khi nhiễm bẩn phải dược thu hồi để làm sạch và làm nguội. Nếu áp suất dầu trong hệ thống này giảm đi, chứng tở đệm làm kín đã giảm hiệu quả làm kín (do mài mòn). 5. Ngăn cân bằng - Trong máy nén khí ly tâm nhiều cấp, lực do áp suất tác dụng lên 2 chiều của trục không cân bằng nhau, phía áp suất cao có lực tác dụng lớn hơn. Do vậy trục có xu hướng dịch chuyển về phía của nạp. Sự dịch chuyển này sẽ gây va đập, gây mài mòn các chi tiết liên quan. Ngăn cân bằng có tác dụng gi bớt sự mất cân bằng này. Ngăn cân bằng này là một bộ phận được gắn với trục gồm 2 phần, phần phía cửa nạp thì chịu áp suất khí xả, phần phía cửa xả thì chịu áp suất khí nạp. Theo cách phân tích lực như vậy, kết quả là lực tác dụng lên trục cân bằng hơn. - Sự biến đổi áp suất của khí khi qua guồng động làm thay đổi khối lượng riêng của khí. - Khi guồng động quay, khí sẽ văng từ tâm ra xung quanh dưới tác dụng của lực ly tâm. Làm tăng khối lượng riêng của khí và tạo ra áp lực tĩnh - Đồng thời vận tốc của khí cũng tăng lên và như vậy tăng áp lực động của khí. Phần II. Các hệ thống tăng áp tuabin khí. I. Các hệ thống tăng áp chính. HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 16
- Dựa vào phương thức và mức độ sử dụng năng lượng của sản vật cháy, người ta chia các hệ thống tăng áp tuabin thành hai loại: hệ thống đẳng áp và hệ thống biến áp( hoặc hệ thống mạch động). 1. Hệ thống đẳng áp. - trong hệ thống đẳng áp, khí xả của các xilanh được thải ra một đường chung với dung tích đủ lớn tạo ra áp suất tương đối ổn định không đổi, trước khi đi vào tuabin, nhờ đó hiệu suất tuabin khá cao. Ngoài ra đường thông trong tuabin được giảm tương đối, rung động do dòng khí tạo ra đối với cánh tuabin ít đi nên cánh ít hỏng. - Cấu tạo đường ống thải của hệ thống đẳng áp đơn giản, dễ bố trí, bảo dưỡng, giá thành chế tạo hạ, rất thích hợp với động cơ chữ v. Có thể lựu chọn tương đối tự do số lượng và cách bố trí tuabin tăng áp, về mặt phân nhóm ống thải cũng như chiều dài ống thải đều không có hạn chế nào. - với áp suất tăng áp lớn, năng lượng khí thải được sử dụng tốt trong hệ thống đẳng áp, lúc đó năng lượng mạch động suy giảm không thể gây phản xạ trở lại trong miệng phun, giảm được tổn thất công trong hành trình thải của động cơ. Nhờ đó khi động cơ dieden chạy ở tải lớn, suất tiêu hao nhiên liệu có ích tương đối thấp. ngày nay động cơ dieden bốn kỳ dùng áp suất tăng áp ngày một cao, do đó hệ thống đẳng áp được sử dụng ngày càng nhiều, phần lớn động cơ hai kỳ cũng sử dụng hệ thống đẳng áp. Tuy nhiên dùng hệ thống đẳng áp, khi động cơ chạy ở các chế độ: tải nhỏ, khởi động thấp tốc và tăng tốc tính năng của động cơ kém hơn so với hệ thống mạch động. hệ thống đẳng áp rất thích hợp cho động cơ tĩnh tại và động cơ tàu thủy. 2. Hệ thống mạch động. - Đặc điểm của hệ thống này là tìm mọi cách duy trì dao động áp suất trên đường thải. vì vậy thường lắp bộ tuabin tăng áp gần sát các xilanh đồng thời tạo các nhánh ống thải từ xilanh đi ra nhỏ và ngắn. Mặt khác để tránh hiện tượng can thiệp xảy ra trên ống thải phải phân nhóm hợp lý, ghép các xilanh không có hoặc có rất ít thời gian thải trùng điệp vào chung một nhóm. Ví dụ động cơ dieden 4 hoặc 6 xilanh thường dùng 2 hoặc 3 xilanh có một đường thải chung để nối với tuabin tăng áp có hai đường dẫn khí. Đường thải trong hệ thống mạch động phải thỏa mãn các yêu cầu sau: - Cấu tạo của ống thải đơn giản, thống nhất, không gây các đường ngoặt đột ngột không có chỗ thắt hoặc phình đột ngột, bán kính chuyển hướng của dòng chảy phải lớn, tìm mọi cách rút ngắn đường thải. - Mỗi nhóm đường ống thải, tốt nhất cần tạo các mạch xung có khoảng cách góc quay bằng nhau. Tiết diện lưu thông của đường thải phải nhỏ, lấy xấp xỉ bằng tiết diện lớn nhất của xupap thải và bằng tiết diện ống dẫn vào tuabin. - Đối với tuabin tăng áp cần đưa xung áp suất thải của xilanh vào tuabin theo thứ tự và khoảng cách góc đều nhau để giảm tổn thất. HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 17
- Vì vậy khi chọn trình tự làm việc của các xilanh cần lưu ý đến yêu cầu bố trí ống thải của hệ thống mạch động. II. Làm mát trung gian cho không khí tăng áp. 1. Mục đích. - Sau khi qua máy nén áp suất Pk và nhiệt độ Tk của không khí nén đều tăng cao, nhiệt độ Tk phụ thuộc mức độ tăng áp Pk, hiệu suất máy nén và tổn thất tản nhiệt của máy nén. Với tỉ số tăng áp lớn trị số Tk khá cao. Nhiệt độ trung bình của chu trình động cơ điêden phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ môi chất đầu quá trình nén, vì vậy phụ tải nhiệt củ động cơ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Tk. nếu không làm mát trung gian cho không khí tăng áp, tỉ số tăng áp sẽ bị hạn chế, trường hợp không làm mát trung gian, áp suất có ích trung bình thường không quá 1Mpa. Trên đường nạp nếu lắp thêm bộ làm mát thì nhiệt độ môi chất đi vào động cơ sẽ giảm nhờ đó công suất động cơ sẽ tăng,đây là một biện pháp nâng cao công suất động cơ có hiệu quả và đơn giản nhất. Mức độ trị số tăng áp càng cao, đi qua bộ làm mát, nhiệt độ khí nén giảm càng nhiều và hiệu quả càng lớn. Mối quan hệ số % tăng lên của mật độ không khí theo mức độ trị số tăng áp với mức độ làm mát khác nhau (hiệu suất máy nén 75%, không khí vào máy nén có nhiệt độ 20 độ C với áp suất khí trời trên mặt biển). Có thể thấy mức trị số tăng áp càng cao, mức độ làm mát càng nhiều thì mật độ khí nén tăng càng nhiều. Mối quan hệ giữa công suất động cơ và áp suất Pk với giá trị khác nhau của Tk, có thể thầy nhiệt độ Tk sau bộ làm mát trung gian càng thấp công suất tăng càng nhiều. Không khí nén được làm mát trung gian một mặt sẽ giảm bớt tổn thất tản nhiệt của chu trình, mặt khác trong điều kiện không thay đổi áp suất Pk, có thể làm tăng công suất chỉ thị của động cơ từ đó cải thiện hiệu suất cơ giới của động cơ. Ví vậy làm mát trung gian cho không khí tăng áp lại là một biện pháp hữu hiệu để giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Động cơ tĩnh tại và động cơ tàu thủy thường dùng bộ làm mát dạng ống có nhiều lá tản nhiệt cho nước làm mát. Do nhiệt độ nước thấp nên sau khi đi qua bộ làm mát, nhiệt độ Tk vào khoảng 40- 50 độ C. Đầu máy xe lửa, xe tải cỡ lớn dùng bộ làm mát dạng tổ ong để lấy nước làm mát không khí tăng áp, nhiệt độ nước khoảng 50-60 độ C, nên sau khi làm mát nhiệt độ Tk vào khoảng 60-75 đô C. đôi khi dùng nước làm mát động cơ để làm mát không khí tăng áp, nhiệt độ nước khoảng 75-85 độ C, nên sau khi làm mát Tk váo khoảng 85- 95 độ C. trên ô tô còn dùng không khí ngoài trời để làm mát không khí tăng áp, có thể dùng quạt gió của hệ thống làm mát động cơ hoặc một quạt gió riêng để thổi không khí qua bộ làm mát, lúc đó Tk vào khoảng 50-69 độ C. Thực nghiệm cho hay, nếu giữ áp suất không đổi, cứ giảm bớt nhiệt đô không khí 10 độ C thì mật độ không khí sẽ tăng lên 3%. Ngoài ra thực nghiệm cũng chứng minh cứ giảm bớt nhiệt độ không khí 10 đô C và giữ không đổi hệ số dư lượng không khí a thì công suất tăng lên 3,5%. Nếu giữ không thay đổi phụ tải nhiệt so với trường hợp không làm mát trung gian thì công suất động cơ còn tăng nhiều hơn, do nhiệt độ không khí vào động cơ đã giảm. Do dùng bộ làm mát trung gian nên nhiệt độ khí thải của động cơ hầu như không thay đổi theo điều kiện khí trời mà chỉ phụ thuộc nhiệt độ nước làm mát. HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 18
Vị trí đặt bộ làm mát phụ thuộc cấu tạo của động cơ, cần lưu ý mấy điểm sau: Đường nối từ máy nén đến bộ làm mát càng ngắn càng tốt, thường là ống loe dần, cần tránh thay đổi đột ngột tiết diện đường thông, và hướng của dòng chảy; phải tránh không để dòng chảy đi nghiêng vào bộ làm mát vì sẽ làm giảm tiết diện lưu thông và hiệu quả làm mát. 2. Làm mát pittong. Phụ tải nhiệt của động cơ tăng áp lớn hơn động cơ không tăng áp nhất là nắp xilanh và pittong. Vì vậy thường dùng dầu trong hệ thống bôi trơn để làm mát pittong. Nếu tăng áp thấp, người ta làm mát pittong bằng cách phun dầu, nhưng khi tăng áp cao phải dùng đường dẫn dầu làm mát cưỡng bức đối với pittong. Như vậy sẽ làm tăng phần nhiệt tổn thất đem theo dầu nhờn, do đó phải tăng kích thước két làm mát dầu. Nếu không làm mát pittong, nhiệt đem theo dầu nhờn vào khoảng 231-268kJ/kW.h, còn trường hợp dùng dầu nhờn làm mát pittong có thể tới 408- 462KJ/Kw.h. *Thay đổi về hiệu suất cơ giới của động cơ sau khi tăng áp. Sau khi tăng áp các thông số chỉ thị của động cơ thay đổi ít, trong khi những thông số có ích lại thay đổi nhiều chủ yếu do sự thay đổi hiệu suất cơ giới sau khi tăng áp gây ra. Sự thay đổi trên phụ thuộc chính vào hệ thống tăng áp. Do công suất tổn hao cơ giới thụ thuộc chính vào tốc độ động cơ, ít phụ thuộc tải nên có thể giả thiết: sau khi tăng áp nếu không đổi tốc độ của động cơ thì công suất vẫn có giá trị như trường hợp chưa tăng áp. *Đặc điểm tăng áp cho động cơ xăng và máy ga. Phương án đặt bộ tăng áp . Đối với động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí, có thể đặt bộ tăng áp phía trước hoặc phía sau bộ chế hòa khí. Phương án đặt trước, không khí được nén trong máy nén sau đó qua bộ chế hòa khí rồi vào động cơ, phương án này có các ưu điểm sau: - bộ chế hòa khí đặt sát động cơ nên có tính năng gia tốc tốt. - bản thân nhiên liệu không tiếp xúc với máy nén nên ít gây nguy hại máy nén khi xảy ra hiện tượng hồi hỏa. Nhược điểm: - trong phương án thường dùng nhiều bộ chế hòa khí(từ 6-12 bộ) làm tăng khối lượng toàn hệ thống. - Bướm ga của các bộ chế hòa khí rất khó điều chỉnh giống nhau - Các đường ống nạp phải giử rất kín, nếu không dễ gây hỏa hoạn. Phương án đặt sau, hòa khí sẽ đi qua máy nén rồi mới váo động cơ. Ưu điểm của phương án là: HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 19
- Hòa khí được hòa trộn đều hơn: - Khi qua máy nén nhiên liệu được bay hơi nhanh . Nhiệt độ hòa khí đi vào máy nén thấp hơn nhiệt độ kông khí ngoài trời, nhờ đó lưu lượng và hiệu suất máy nén đều tăng. Nhược điểm: - Nếu để xảy ra hiện tượng hồi hỏa (hiện tượng phun lửa ra đường nạp) thì máy nén chóng hỏng. - Tính tăng tốc kém ví không gian máy nén lưu trữ lại một lượng hòa khí nhất định không đáp ứng kịp yêu cầu thay đổi nhanh chế độ làm việc của động cơ; Cả hai phương án cần giải quyết tốt giới hạn ổn định của máy nén li tâm khi đóng nhỏ bướm ga. 3. Kích nổ và nhiệt độ khí xả.  kích nổ. Tăng áp cho động cơ xăng sẽ làm tăng nhiệt độ, áp suất ở đầu và cuối kì nén khiến động cơ dễ sinh kích nổ người ta đã dùng nhiều biện pháp khác nhau như: thay đổi cấu tạo buồng cháy, dùng nhiên liệu chống kích nổ tốt, dúng hòa khí nhạt hơn, thay đổi góc đánh lửa sớm, làm mát trung gian cho hòa khí sau máy nén, giảm tỉ số nén động cơ v.v…. Nếu không đổi số ốctan của nhiên liệu thì tỉ số nén cho phép sau khi tăng áp phụ thuộc vào áp suất  Nhiệt độ khí xả Nhiệt độ khí xả của động cơ xăng cao hơnh so với động cơ điêden, mặt khác lại không thể dùng biện pháp hạ nhiệt độ bằng cách tăng góc trùng điệp để quét buồng cháy, vì ở đây khí quét sẽ là hòa khí chứ không phải không khí đơn thuần. Nhiệt độ cao của khí xả đòi hỏi tua bin phải dùng vật liệu chịu nhiệt tốt. Các giải pháp làm mát trung gian, phun nước sau máy nén, thay đổi góc đánh lửa sớm v.v… có tác dụng giảm nhiệt độ khí xả. Tăng áp cho máy ga cũng tương tự như đối với động cơ xăng: hiện nay tăng áp cho máy ga có thể đưa áp suất có ích trung bình Tăng áp cho động cơ ga điêden đã cải thiện rõ rệt các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ, hầu hết động cơ ga điêden tĩnh tại đều sử dụng tăng áp. III. Một số hư hỏng thường gặp và biện pháp khắc phục. - Về phương diện kết cấu có thể nói rằng cụm tubin máy nén là rất đơn giản. Tuy vậy, điều kiện làm việc của nó lại tương đối khắc nghiệt, nhất là khi làm việc ở số vòng quay cao và rất cao, lúc này, nhiệt độ của tuabin rất cao, điều kiện bôi trơn khó khăn nên ma sát rất lớn. Ngoài ra, cụm tubin máy nén được lắp trong một liên hợp gồm máy nén - động cơ đốt trong - tubin thành một thực thể thống nhất nên chúng có một mối liên hệ rất mật thiết với nhau. Mỗi một hiện tượng sai HSTH: Trần Tiến Cảnh Trang 20