Giáo trình Nhiệt điện - Chương 6: Nguyên lý làm việc tuốc bin hơi

p biên thủy lực trên bề mặt rãnh. Phía ngoài 
lớp biên (giữa dòng) tốc độ tại mọi điểm ở cùng tiết diện đều bằng nhau. Còn trong 
phạm vi lớp biên thủy lực bắt đầu từ bề mặt lớp biên tốc độ dòng giảm dần và bằng 
không tại bề mặt cánh, làm cho tốc độ trung bình của dòng giảm. Chính vì có tổn thất 
tốc độ trong lớp biên nh− vậy nên tốc độ hơi ra khỏi dãy cánh bị giảm đi, gây nên tổn 
thất năng l−ợng đ−ợc gọi là tổn thất ma sát theo profin cánh. Tổn thất profin đ−ợc 
biểu diễn trên hình 6.7. 
Hình 6.7. Tổn thất profin Hình 6.8. Tổn thất gốc và đỉnh cánh 
 Và xoáy ở mép ra 
 68
* Tổn thất ma sát ở gốc và đỉnh cánh 
Các cánh ống phun của tuốc bin đ−ợc gắn trên các bánh tĩnh, bề mặt giới hạn 
của bánh tĩnh đ−ợc gọi là gốc cánh. Đối với các cánh có chiều dài lớn, để đảm bảo 
cho cánh khỏi bị dao động, trên đỉnh cánh có đai giữ để nối liên kết các cánh với 
nhau. Trên bề mặt giới hạn gốc cánh và đai cánh luôn tồn tại một lớp biên thủy lực và 
do đó cũng gây ra tổn thất năng l−ợng t−ơng tự nh− ở bề mặt cánh. Tổn thất đó đ−ợc 
gọi là tổn thất gốc và đỉnh cánh. Tổn thất gốc và đỉnh cánh đ−ợc biểu diễn trên hình 
6.8. 
* Tổn thất do xoáy ở mép ra của cánh 
Vì mép ra của cánh có chiều dày nhất định, do đó khi dòng hơi chảy qua sẽ 
xuất hiện dòng xoáy ở mép ra và gây nên tốt thất năng l−ợng gọi là tổn thất xoáy ở 
mép ra của cánh. Tổn thất do xoáy ở mép ra đ−ợc biểu diễn trên hình 6.8. Vì có các 
tổn thất nói trên nên hiệu suất dòng chảy qua cánh sẽ giảm xuống. 
6.2.4.2. Tính toán tổn thất năng l−ợng khi dòng chảy ngang qua dãy cánh 
*. Tổn thất năng l−ợng trên ống phun 
Khi khảo sát chuyển động của dòng hơi trong ống phun, ta đã coi quá trình dãn 
nở của hơi là quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch. Nh−ng thực tế, khi chảy qua ống 
phun, do có ma sát giữa hơi và vách ống phun nên hơi đã bị nóng lên, bởi vậy quá 
trình dãn nở của hơi không phải là quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch. 
Quá trình ma sát giữa hơi với vách ống phun đã gây nên tổn thất năng l−ợng 
làm giảm tốc độ của dòng, do đó tốc độ dòng hơi ra khỏi ống phun thực tế là C1 nhỏ 
hơn tốc độ lý thuyết C1l. 
ϕ = 
l1
1
C
C
 (6-9) 
từ (6-7) và (6-9) ta có: 
Quá trình dãn nở thực tế của hơi
đ−ợc biểu thị trên đồ thị i-s hình 6.9.
Theo (6-6) thì nhiệt dáng lí t−ởng trong
ống phun h0p phụ thuộc vào biến thiên
tốc độ C. 
Nh− vậy trạng thái cuối của hơi
trong quá trình dãn nở thực đ−ợc biểu
diễn bằng điểm 1, có entanpi i1 (i1 > i1l).
Kết qủa là nhiệt dáng thực tế của quá
trình dãn nở thực trong ống phun bằng
hip = i0 - i1 sẽ nhỏ hơn nhiệt dáng lý
thuyết hop và tốc độ chảy thực tế của
dòng cũng nhỏ hơn tốc độ lý thuyết. Tỷ
số giữa tốc độ thực tế và tốc độ lý thuyết
của dòng gọi là hệ số tốc độ, ký hiệu là
ϕ: 
Hình 6.9. Quá trình thực 
 của hơi trên đồ thị i-s 
 69
 C1 = ϕ C1l = ϕ 202 Ch op + (6-10) 
Tổn thất năng l−ợng trong dãy ống phun bằng: 
 ∆hp = hop - hip = (i0 - i1l) - (i0 -i1) = i1 - i1l (6-11) 
và nh− vậy ta suy ra: 
 ∆hp = i1 - i1l = 2
2
1
2
1 CC l − (6-12) 
Từ (6-9) và (6-12) ta có: 
 ∆hp = 2
CC 2l1
22
l1 ϕ− 
hay ∆hp = )( 2
2
l1 1
2
C ϕ− (6-13) 
Hoặc từ (6-6) có thể tính theo tốc độ vào: 
 ∆hp = (h0p + 2
2
0C )(1-ϕ2) (6-14) 
suy ra: 
2
C
h
h
2
0
op
p
+
∆
 = 1 - ϕ2 = ςp (6-15) 
Đại l−ợng ςop gọi là hệ số tổn thất năng l−ợng trong ống phun. 
Đối với các ống phun của tuốc bin hiện đại thì trị số của hệ số vận tốc ϕ trong 
khoảng 0,95 - 0,98 và trị số của hệ số tổn thất ςop trong khoảng 0,05 - 0,1 
6.2.6. Tổn thất năng l−ợng trên cánh động 
T−ơng tự nh− đối với ống phun, ở cánh động quá trình ma sát cũng xẩy ra và 
gây nên tổn thất t−ơng tự. Quá trình ma sát giữa hơi với vách cánh động đã gây nên 
tổn thất năng l−ợng làm giảm tốc độ của dòng, do đó tốc độ dòng hơi ra khỏi rãnh 
cánh động thực tế là w2 nhỏ hơn tốc độ lý thuyết w2l. Quá trình dãn nở thực tế của hơi 
đ−ợc biểu thị trên đồ thị i-s hình 6.8. 
 Khi tính đến các tổn thất thì: 
 ∆hđ = i2 - i2l = 2
1
(w22l - w
2
2) (6-16) 
 Gọi ψ = 
l2
2
w
w
 là hệ số tốc độ 
 thì ∆hđ = ( ) d2l22l22 2ww121 ζ=ψ− (6-17) 
 70
6.3. TổN THấT Và HIệU SUấT CủA TầNG Tuốc BIN 
6.3.1. Xác định lực tác dụng của dòng hơi lên dãy cánh 
Dòng hơi chuyển động qua rãnh cánh quạt sẽ thay đổi tốc độ và đổi h−ớng là 
do chịu tác dụng của các lực sau đây: 
- Phản lực của cánh động lên dòng hơi. 
- Hiệu số áp suất tr−ớc và sau cánh. 
Để xác định lực tác dụng của dòng hơi lên dãy cánh, ta khảo sát một l−ợng hơi 
δm, có áp suất p1 đi vào dãy cánh với tốc độ là C1 , ra khỏi cánh động với vận tôc C2 , 
có áp suất p2. 
Dòng hơi tác dụng lên dãy cánh một lực R, theo nguyên tắc phản lực thì dãy 
cánh sẽ tác dụng trở lại một phản lực R', về giá trị thì hai lực này bằng nhau, nh−ng 
ng−ợc chiều: R = -R'. 
Lực R có thể phân ra hai thành phần: 
+ Thành phần có ích Ru theo ph−ơng u (là ph−ơng vận tốc vòng u), thành phần 
này tạo nên công suất tuốc bin (làm quay tuốc bin), 
+ Thành phần Ra theo ph−ơng dọc trục tuốc bin, thành phần này có hại, làm cho 
rôto tuốc bin dịch chuyển dọc trục và có thể gây ra sự cố. 
Muốn xác định thành phần lực Ru , Ra , tr−ớc hết ta xác định các thành phần 
phản lực R'u , R'a tác dụng lên dòng hơi làm thay đổi động l−ợng của dòng. Sự thay 
đổi động l−ợng của dòng hơi theo ph−ơng u chỉ do tác dụng phản lực của cánh, còn 
sự thay đổi động l−ợng của dòng hơi theo ph−ơng a ngoài tác dụng phản lực của cánh 
còn có ảnh h−ởng của hiệu số áp suất (p1 - p2) tr−ớc và sau dãy cánh. Hình 6.12 biểu 
diễn lực tác dụng của dòng hơi lên dãy cánh. 
Theo ph−ơng trình động l−ợng ta có các thành phần phản lực: 
 R'u = δτ
δm
(C2u - C1u) (6-18) 
 R'a = δτ
δm
(C2a - C1a) + F(p2 - p1) (6-19) 
Trong đó: 
- δm: là l−ợng hơi khảo sát một 
- dτ: là thời gian khảo sát, 
- C1u, C2u là hình chiếu của vectơ vận tốc 1C , 2C theo ph−ơng u, 
- C1a, C2a là hình chiếu của vectơ vận tốc 1C , 2C theo ph−ơng a, 
- F là diện tích tiết diện các rãnh cánh động (tiết diện hơi chuyển động qua 
cánh), 
Dựa vào tam giác tốc độ trên hình 6-13 ta tính đ−ợc các thành phần lực C1u, C2u, 
C1a, C2a, thay vào (6-18), (6-19) và tiếp tục biến đổi toán học ta đ−ợc: 
 71
 Hình 6.12. lực tác dụng của dòng hơi lên dãy cánh 
 Ru = -R'u = G(C1 cosα1 + C2 cosα2 ) (6-20) 
 Ru = G(w1 cosβ1 + w2 cosβ2 (6-21) 
 Ra = -R'a = G(C1sinα1 - C2sinα2 ) + F(p1 - p2) (6-22) 
 Ra= G(w1sinβ1 - w2sinβ2 ) + F(p1 - p2) (6-23) 
Thành phần lực Ru sẽ sinh ra công có ích, công suất của lực Ru sinh ra trên dãy 
cánh động là: 
 P = Ru.u (6-24) 
Công suất tính cho 1kg hơi là: 
 L = P/G = Ru.u /G (6-25) 
Trong đó: 
 P là công suất của dòng hơi trên dãy cánh động. 
 G = δτ
δm
: l−u l−ợng hơi qua dãy cánh tuốc bin, 
 Ru là thành phần lực của dòng hơi sinh ra theo ph−ơng chuyển động, 
 u = π.d.n là tốc độ dài của dòng hơi tính trên cánh tuốc bin, 
n là tốc độ quay của tuốc bin, (vg/s) 
d là đ−ờng kính trung bình của dãy cánh, (m) 
Dựa trên tam giác tốc độ vào và ra, tiếp tục biến đổi l−ợng giác ta đ−ợc công 
suất do 1kg hơi sinh ra trên cánh động là: 
 L = 1/2.(C1
2- w1
2 + w2
2 - C2
2 ), [W] (6-26) 
Nếu tuốc bin có nhiều tầng thì công suất tổng của tuốc bin sẽ bằng tổng công 
suất của các tầng. 
 72
6.3.2. Tổn thất năng l−ợng và hiệu suất trên cánh động của tầng 
6.3.2.1. Tổn thất tốc độ ra 
Tổn thất tốc độ ra là tổn thất động năng do dòng hơi mang ra khỏi tầng. Khi 
dòng hơi ra khỏi tầng với tốc độ C2 > 0, nghĩa là mang ra khỏi tầng một động năng 
C2
2
2
0≠ . Động năng này không biến thành cơ năng trên cánh động của tầng khảo sát, 
nh− vậy tầng bị mất đi một phần năng l−ợng 
C2
2
2
 gọi là tổn thất tốc độ ra, ký hiệu là 
∆hr, có gía trị: 
 ∆hr = C2
2
2
 (6-27) 
6.3.2.2. Hiệu suất trên cánh động của tầng tuốc bin 
Hiệu suất trên cánh động của tầng tuốc bin là tỉ số giữa công suất trên cánh 
động với năng l−ợng lý t−ởng của tầng. 
 ηcđ = 
0E
L
 (6-28) 
L: công suất trên cánh động của tầng, 
E0: năng l−ợng lý t−ởng của tầng tuốc bin, 
Giả thiết dòng hơi đi vào tầng với tốc độ C0 , mang vào tầng một động năng là 
2
C20 , động năng này chỉ đ−ợc sử dụng một phần trong tầng khảo sát là x0 2
C20 , trong 
đó x0 là hệ số sử dụng động năng của dòng hơi vào tầng khảo sát. Ta nói dòng hơi 
mang vào tầng một năng l−ợng có ích là x0 2
C20 . 
Trong tuốc bin nhiều tầng thì động năng ra khỏi tầng tr−ớc là 
C2
2
2
, sẽ đ−ợc sử 
dụng vào tầng tiếp theo một phần là x2
C2
2
2
, x2 là hệ số sử dụng động năng dòng hơi 
từ tầng khảo sát vào tầng tiếp sau. Nh− vậy năng l−ợng lý t−ởng của tầng khảo sát sẽ 
là: 
22
2
2
20
2
0
00
C
xh
C
xE −+= (6-29) 
 73
Trong đó: 
2
2
0
0
C
x là phần động năng có ích do dòng hơi mang vào đ−ợc sử 
dụng ở tầng khảo sát , 
 h0 = i0 - i2l = hop + hođ là nhiệt dáng lý t−ởng của tầng. 
2
2
2
2
C
x là phần động năng có ích mà dòng hơi mang ra khỏi tầng khảo sát để 
sử dụng ở tầng tiếp theo. 
Hệ số sử dụng động năng x0 , x2 dao động trong khoảng từ 0 đến 1. Đối với 
tầng cuối của tuốc bin, động năng ra khỏi tầng hoàn toàn không đ−ợc sử dụng do đó 
x2= 0 và khi đó ta nói động năng 
C2
2
2
là tổn thất tốc độ ra của tầng. 
Đối với tầng tuốc bin thực tế thì cần kể đến các tổn thất trong ống phun, tổn 
thất trong dãy cánh động và tổn thất tốc độ ra của tầng, khi đó công mà tầng sinh ra 
sẽ là: 
 rp0
2
0
0 hhhh2
C
xL ∆−∆−∆−+= đ (6-30) 
 Trong đó: 
∆hp: tổn thất năng l−ợng trên ống phun, 
 ∆hp = 2
2
1
2
1
11
CC
ii ll
−=− 
∆hđ : tổn thất năng l−ợng trên cánh động, 
 ∆hđ = 2
ww
ii
2
2
2
l2
l22
−=− 
∆hr : tổn thất tốc độ ra, 
 ∆hr = C2
2
2
Có thể viết lại (6-30): 
2
C
2
C
xhh
2
C
xh
2
C
xL
2
2
2
2
2p
2
2
20
2
0
0 −+∆−∆−−+= õ (6-31) 
 L = E0 -∆hp - ∆hđ - (1-x2) ∆hr (6-32) 
Do đó hiệu suất trên cánh động của tầng là: 
 ηcđ = 
0E
L
 = 
0
r
2
00
p
E
h
)x1(
E
h
E
h
1
∆−−∆−∆− õ (6-3) 
hay: 
 ηcđ = 1 - ξp - ξđ - (1-x2)ξr (6-34) 
 Trong đó: ξi = 
0
i
E
h∆
 là các hệ số tổn thất năng l−ợng.