Toång hôïp vaø bieân soaïn : Nguyeãn Vaên Sôn PHAÀN II: TURBINE TAÊNG AÙP
_______________________________________________________________________
101 http://www.biosys.com.vn
CHƯƠNG IV
TURBINE TĂNG ÁP – CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Để tận dụng nguồn năng lượng khí thải nhằm tăng hiệu công suất và hiệu
suất của động cơ, turbine khí xả được đưa vào sử dụng, đầu tiên ơ động cơ bốn kỳ
và sau đó được sử dụng cho cả động cơ hai kỳ; đặc biệt loại động cơ hai kỳ công
suất lớn. Mức tăng hiệu suất động cơ khi tăng áp bằng turbine khí xả phụ thuộc
nhiều vào chế độ tải của động cơ. Đối với động cơ lai chân vịt, tải động cơ cao
đồng nghĩa với vòng quay động cơ tăng là điều kiện thuận lợi cho turbine khí xả
tăng hiệu quả làm việc; lý do nằm ở chỗ, không những công suất turbine lai phụ
thuộc vào công đơn vị của dòng khí xả và lưu lượng dòng khí xa, mà với turbine,
khi khai thác ở khu vực định mức sẽ tạo điều kiện phát huy cao nhất hiệu suất của
chúng (hình 4.1).
Hình 4.1 :Đồ thị quan hệ lưu lượng và áp suất, hiệu suất của hệ thống tăng
áp turbine khí xả.
Toång hôïp vaø bieân soaïn : Nguyeãn Vaên Sôn PHAÀN II: TURBINE TAÊNG AÙP
_______________________________________________________________________
102 http://www.biosys.com.vn
Nói chung các turbine tăng áp đều thuộc loại turbine xung kích có độ phản
kích nhỏ và chúng được chia ra hai loại chính dựa trên cơ sở tận dụng năng lượng
khí xả từ động cơ. Đó là turbine sử dụng xung áp suất là chính (còn gọi là turbine
biến áp với đặc trưng áp suất trước turbine thay đổi) và turbine đẳng áp ( với đặc
trưng áp suất không đổi trước turbine).
Cả hai loại trên đều có thể được chế tạo theo kiểu cho dòng khí xả vào
turbine theo hướng tâm (hình 4.2) hoặc dọc trục (hình 4.3). Bố trí dòng khí xả vào
turbine hướng tâm cho thường có tốc độ quay nằm trong khoảng 25000- 250.000
vòng/phút, đường kính bánh công tác từ 35-220 mm, công suất từ 15-750 kW. Bố
trí dòng khí xả vào turbine theo hướng dọc trục với tốc độ quay từ vài ngàn
vòng/phút tới hàng chục ngàn vòng/ phút, đường kính bánh công tác từ 220-1000
mm, công suất turbine từ 150-100000 kW.
Hình 4.2: Turbine hướng tâm
Hình 4.3 Turbine hướng trục.
1-Lối vào của khí xả
2-Lối ra của khí xả
3-Lối vào của không khí
4-Buồng đẩy của khí nén
5-Trục rôto
6-Bộ bơm dầu bôi trơn
7-Dầu bôi trơn
8-Bánh rôto turbine
9-Bánh cánh máy nén
Toång hôïp vaø bieân soaïn : Nguyeãn Vaên Sôn PHAÀN II: TURBINE TAÊNG AÙP
_______________________________________________________________________
103 http://www.biosys.com.vn
Sau đây chúng ta so sánh hai hệ thống sử dụng năng lượng thường dùng nhất
là hệ thống xung lực và hệ thống đẳng áp dẫn tới tên của hai loại turbine xung lực
và turbine đẳng áp.
4.1 So sánh hai loại turbine xung lực và đẳng áp
Theo một thống kê gần đúng của hai loại hệ thống ta sẽ thấy những điểm so
sánh nổi bật của chúng như sau:
Hình 4.4 Sự tận dụng nhiệt khí thải cho (a) hệ thống Turbine đẳng áp (b)
Xung lực
Tuy biểu đồ hình 4.4 chưa đại diện cho tất cả các loại turbine song qua đó ta
cũng thấy khả năng tận dụng nhiệt của turbine xung lớn nhưng hiệu suất ở turbine
xung lại thấp hơn loại đẳng áp. Một trong các lý do là áp suất thay dổi trước turbine
nên dòng chảy vào miệng phun của turbine không ổn định, gây nhiều tổn thất; trong
khi ở turbine đẳng áp tại cửa vào áp suất không thay đổi, dòng khí được phân bố
đều trên khắp các vành miệng phun, do vậy hiệu suất cao hơn. Một đặc điểm nữa
của turbine xung cần lưu ý liên quan tới áp suất thay đổi trước turbine là chính các
xung áp suất này gây nên sự tăng cường rung động cánh turbine, đặc biệt khi số
xylanh là bội số của 4.
Turbine xung có đặc tính đáp ứng nhanh khi tăng tốc và khởi động trong khi
hệ thống dùng turbine đẳng áp lại cần hỗ trợ của bơm phụ khi khởi động và khi
hoạt động nhỏ tải của động cơ.
Turbine đẳng áp tạo nhiều trở lực cho khí thoát từ xylanh nhưng lại có ưu
điểm bố trí gọn, linh hoạt, không yêu cầu khắt khe về vị trí đặt turbine; trong khí
đó, turbine xung tuy tạo trở lực thoát khí thấp nhưng yêu cầu các xylanh nổ liên
Toång hôïp vaø bieân soaïn : Nguyeãn Vaên Sôn PHAÀN II: TURBINE TAÊNG AÙP
_______________________________________________________________________
104 http://www.biosys.com.vn
tiếp không được bố trí chung đường ống thải để tránh ảnh hưởng của các pha trong
thời kỳ xả lẫn nhau giữa các turbine, ngoài ra vị trí turbine phải bố trí gần cửa thoát
khí khỏi xylanh, đường xả yêu cầu càng ngắn cáng tốt… điều này bất tiện cho bố
trí.
Turbine xung thường chỉ giới hạn áp dụng trong khoảng áp suất tăng áp thấp.
Lý do sự giới hạn của turbine xung là việc sử dụng năng lượng xung của dòng khí
xả gần như rất kém với áp suất tăng áp của turbine khí xả cao hơn 2,2 bar. Khoảng
áp dụng của turbine đẳng áp rộng hơn, áp suất tăng áp cao càng có lợi cho việc sử
dụng nhiệt của turbine đẳng áp.
Một xu hướng với tăng áp lớn là sử dụng turbine đẳng áp. Tỉ số tăng áp cao
nhất ở hệ thống đẳng áp dùng cho tăng áp động cơ diesel tàu thủy hiện nay là 5,5.
Khi chuyển từ tăng áp xung sang tăng áp đẳng áp cho phép tăng hiệu suất turbine
máy nén lên 8% ( theo số thông tin từ hãng B&W. Sử dụng turbine đẳng áp không
cần phải tăng góc mở sớm súppap xả, làm giảm công giãn nở như turbine xung và
như vậy tăng thời gian giãn nở của môi chất. Chính nhờ tăng thời gian quá trình
giãn nở trong xylanh cũng như tăng một ít áp suất cực đại của chu trình mà áp suất
chỉ thị của chu trình tăng lên 11% và nhờ hoàn thiện quá trình hoà trộn cũng như
qúa trình cháy mà suất tiêu hao nhiên liệu có ích giảm 7,5 %).
CÂU HỎI THẢO LUẬN
01. GIẢI THÍCH SỰ LÀM VIỆC MẤT ỔN ĐỊNH CỦA TURBINE MÁY NÉN
TĂNG ÁP. TRONG KHÁI THÁC ĐỘNG CƠ, HIỆN TƯỢNG NÀY
THƯỜNG XẢY RA NHƯ THẾ NÀO? BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC.
Hình 4.5: phân bố áp suất trước turbine xung lực và đẳng áp.
Toång hôïp vaø bieân soaïn : Nguyeãn Vaên Sôn PHAÀN II: TURBINE TAÊNG AÙP
_______________________________________________________________________
105 http://www.biosys.com.vn
Theo đặc tính của TB-MN ta thấy sự làm việc mất ổn định của TB-MN tăng áp
xảy ra khi nó hoạt động trong
vùng mất ổn định (vùng giới hạn)
Hình 4.6: Đặc tính phối hợp
giữa TBMN tăng áp và Động cơ
lai chân vịt.
Điểm công tác (điểm A) là giao
điểm giữa đường đặc tính thủy
động của động cơ ( đường 1) và
đường cong quan hệ Áp suất-Lưu
lượng của TB-MN (đường 1
n=
const) khi động cơ - TBMN làm
việc bình thường.
Khi có thay đổi bất thường về
phía turbine hoặc máy nén
(thường là cả hai) sẽ làm cho điểm
công tác chuyển dịch về phía vùng
làm việc không ổn định (vùng
giới hạn). Khi làm việc tại vùng
này thì hiện tượng làm việc của TB-MN không ổn định.
Trong khai thác hiện tượng này xảy ra biểu hiện ở các hiện tượng :
-Nếu ở phần turbine thì gây tiếng rít rất khó chịu và rung động mạnh.
-Nếu ở máy nén ta thấy tiếng " hầm hập " phản áp ra ngoài lưới lọc do sự
chênh áp giữa bầu góp khí tăng áp và khí quyển kèm theo vòng quay TB-MN dao
động mạnh.
Nguyên nhân hiện tượng trên:
-Chế độ khai thác không hợp lý, khai thác ở gần vùng mất ổn định.
-Điều kiện khai thác khó khăn (sóng to gió lớn) trong khi chế độ tay ga không
hợp lý.
-Khả năng đáp ứng của động cơ khi có tác động của bộ điều tốc không hợp lý
hoặc kém.
-Khi vòng quay máy giảm, lượng cấp nhiên liệu tăng cao.
-Khi đường nạp bẩn, bầu làm mát khí tăng áp bẩn, phản áp đường xả tăng
-Khi vỏ tàu bẩn, mômen cản tầu lớn.
-Bản thân turbine bị bẩn bởi cặn muội từ động cơ.
Tóm lại tất cả các nguyên nhân gây nên thay đổi sự làm việc của turbine như
bẩn cánh hướng, cánh động, thay đổi hướng dịng khí gây rung động cánh, giảm
lưu lượng khí qua turbine hoặc tăng phản áp phía máy nén như tăng sức cản hoặc
trở lực sau máy nén, giảm vòng quay đột ngột động cơ, bẩn cánh máy nén …
hoặc thậm chí sự làm việc của động cơ kể cả sự làm việc đồng đều giữa các
xylanh hoặc trạng thái hoạt động, chế độ hoạt động không tốt của nó đều có thể
làm điểm công tác chuyển dịch về phía vùng làm việc không ổn định. Hiện tượng