Giáo trình Nhiệt điện - Chương 9: Thiết bị thuốc bin khí

ng từ 2000 đến 6000C) và bởi trạng thái nhiệt độ của các sản phẩm cháy và 
của không khí tại điểm đầu tiên của hỗn hợp, bởi tr−ờng tốc độ tại điểm ra khỏi không 
gian đốt của buồng đốt và bởi dạng hình học của không gian hỗn hợp. 
Không khí hỗn hợp (thứ cấp) vào không gian hỗn hợp với á p suất d− vừa phải qua 
các lỗ đ−ợc bố trí phù hợp để có thể đạt đ−ợc tr−ờng nhiệt độ đều nhất của sản phẩm 
cháy tại cửa ra khỏi buồng đốt. Quá trình hỗn hợp xảy ra trong nhiều hàng lỗ, mà tại đó 
không khí hỗn hợp chảy qua với động năng cao và có h−ớng vuông góc với dòng chính 
của sản phẩm này. 
Quá trình hỗn hợp của hai dòng đ−ợc thực hiện nhờ dòng rối xuất hiện tại bề mặt 
các dòng không khí làm mát. Để đạt đ−ợc tr−ờng nhiệt độ đồng đều nhất với tổn thất áp 
suất thấp nhất, ng−ời ta dùng các bộ phận làm lệch dòng nhằm có thể rút ngắn chiều dài 
của không gian đốt. Độ không đều của tr−ờng nhiệt độ tại cửa ra buồng đốt th−ờng có 
thể là ±(5 đến 20)% giá trị nhiệt độ tuyệt đối trung bình của sản phẩm cháy. 
C. Các điều kiện làm mát ống lửa 
Điều kiện làm mát ống lửa đ−ợc xác định bởi dòng nhiệt qua phần ống lửa, bởi 
trạng thái không khí đóng vai trò là chất làm mát và bởi trạng thái sản phẩm cháy là 
chất truyền nhiệt và bởi dạng hình học buồng đốt. Trong không gian đốt của buồng đốt, 
nhiệt độ cao do đó có dòng nhiệt bức xạ với c−ờng độ rất lớn, còn trong phần hỗn hợp do 
nhiệt độ thấp hơn nên dòng nhiệt nhỏ hơn nhiều. Mặt ngoài của ống lửa có các cánh tản 
nhiệt và đ−ợc làm mát nhờ đối l−u của không khí, mặt trong của ống lửa có một dòng 
không khí hay sản phẩm cháy ở các buồng áp suất hoặc từ buồng đốt phụ đi vào làm 
mát. Nhờ làm mát nh− vậy nên ở phía trong bộ phận ống lửa dòng nhiệt sẽ giảm đáng kể, 
đồng thời không khí đi vào sẽ đ−ợc gia nhiệt mạnh bởi dòng sản phẩm cháy. Nhiệt độ 
ống lửa phụ thuộc nhiều vào các ph−ơng pháp dẫn không khí lạnh. ở những buồng đốt 
ng−ợc dòng, không khí đ−ợc dần theo các cánh tản nhiệt của ống lửa với tốc độ lớn. Để 
ngăn ngừa sự tạo thành xỉ hoặc những chất cáu trong buồng đốt, phải đảm bảo để nhiệt 
độ thành ống lửa trong các các chế độ tải lớn nằm trong khoảng 5000 đến 6000C. Nhiệt 
độ cho phép của các ống lửa làm việc với ứng suất thấp ở những thiết bị tuốc bin khí 
trong công nghiệp khoảng từ 10000 đến 11000C. 
 110
9.2.3. Tuốc bin khí 
Năng l−ợng nhiệt của sản phẩm cháy đ−ợc biến đổi thành cơ năng trong tuốc bin 
khí. Một phần lớn hơn của công suất tuốc bin đ−ợc dùng để truyền động máy nén không 
khí, một phần nhỏ hơn còn lại của công suất là công suất hữu ích cung cấp cho các máy 
móc hoạt động (nh− máy phát điện, bơm, quạt thổi khí). Công suất tuốc bin gấp khoảng 
2,5 đến 3,5 lần công suất hữu ích. 
9.2.3.1. Những yêu cầu kỹ thuật đối với tuốc bin 
Công suất cũng nh− các đặc tính của tuốc bin có ảnh h−ởng quyết định đến các đặc 
tính của toàn tổ máy. Để toàn bộ tổ máy tuốc bin khí làm việc đạt hiệu suất cao thì cần 
thiết phải đáp ứng d−ợc một số yêu cầu kỹ thuật quan trọng sau đây đối với tuốc bin là: 
1. Hiệu suất của chuyển đổi năng l−ợng trong tuốc bin phải cao. 
2. Cánh quạt của tuốc bin làm việc với nhiệt giáng lớn ở tốc độ vòng cao. 
3. Phải đảm bảo các yêu cầu về khí động học và cơ học khi gia công các chi tiết 
bằng hợp kim chịu nhiệt khó gia công. 
Khi so sánh tuốc bin khí và tuốc bin hơi, có thể rút ra một số điểm khác nhau giữa 
chúng nh− sau: 
1. Tỷ lệ giãn nở giữa áp suất vào và ra của chu trình tuốc bin ng−ng hơi th−ờng 
trong khoảng 2000 đến 6000, còn ở tuốc bin khí là 4 đến 16. 
2.Tỷ số của nhiệt độ tuyệt đối vào và ra ở tuốc bin hơi là 2 đến 4, còn ở tuốc bin 
khí khoảng 1,4. 
3. Tỷ số thể tích vào và ra ở chu trình tuốc bin hơi khoảng 1000, còn tuốc bin khí 
từ 3 đến 9. 
 4. Nhiệt giáng đẳng entropi của tuốc bin hơi có thể tới 1600KJ/kg, ở tuốc bin khí 
300 đến 620 KJ/kg. 
5. Nhiệt thế thể tích dòng ở tuốc bin hơi là 0,035 m3/KJ, ở tuốc bin khí là 0,011 tới 
0,022 m3/KJ. 
9.2.3.2. Những phần tử chính và phân loại tuốc bin khí 
Tuốc bin khí có những phần chính sau đây: 
1. Cổ ống vào dẫn các sản phẩm cháy từ buồng đốt vào dãy cách tuốc bin. 
2. Dãy cánh tĩnh (đứng yên) để chuyển nhiệt năng thành động năng. 
3. Rôto (bộ phận quay) để nhận công suất (cơ công) từ động năng của dòng sản 
phẩm cháy. 
4. Cổ ống ra dùng chuyển đổi một phần động năng thành thế năng áp suất và dẫn 
sản phẩm cháy vào ống thoát. 
5. Các chi tiết làm mát phần vỏ tuốc bin. 
6. Các phụ kiện của tuốc bin (t−ơng tự nh− ở máy nén). 
Theo cách bố trí kết cấu có thể chia tuốc bin thành: 
a) Theo hình dạng của rôto tuốc bin khí có thể chia thành loại rôto có đĩa và loại 
rôto tang trống. 
 111
b) Theo h−ớng dòng chia thành tuốc bin khí dọc trục và tuốc bin khí h−ớng trục 
(th−ờng là loại máy nhỏ hay quạt khí). 
c) Theo cách làm mát chia thành loại tuốc bin khí có làm mát (đối với các sản 
phẩm cháy nhiệt độ cao) và loại không làm mát (đối với sản phẩm cháy nhiệt dộ thấp).. 
A. Cổ ống vào 
Hình dạng của nó đ−ợc xác định bởi ph−ơng án thiết kế tuốc bin. Có thể bố trí 
dòng sản phẩm cháy theo h−ớng dọc trục từ buồng đốt vào các cánh tĩnh của tầng tuốc 
bin đầu tiên (tuốc bin máy bay hay tuốc bin chạy tải ngọn) hay dẫn các sản phẩm cháy từ 
h−ớng vuông góc với trục quay sang h−ớng dọc trục. Về mặt khí động phải, cần đảm bảo 
cho dòng khí trong các rãnh có tổn thất thuỷ lực cực tiểu, có độ đồng đều cao về tr−ờng 
nhiệt độ và tốc độ và có sự biến đổi góc của dòng vào cánh tĩnh đầu tiên phù hợp. Về độ 
bền, cần đảm bảo tạo hình dạng thích hợp sao cho ngoại lực và lực áp suất trong ở các 
trạng thái chuyển tiếp, hoặc khi phụ tải biến đổi và khi mở máy không làm biến dạng 
hoặc phá vỡ hình dạng của chi tiết máy. 
Hình 9.5. Tuốc bin khí; 
1-bộ phận an toàn; 2-bơm dầu của hệ thống điều khiển; 
3-bơm dầu của hệ thống bôi trơn; 4-ổ đỡ; 5-chèn tr−ớc; 
6-rôto; 7-thân; 8-ống ra; 9-chèn sau; 10-nối trục 
Đề tăng c−ờng độ cứng của cổ ống dẫn vào ng−ời ta dùng lớp cách nhiệt bên trong, 
do có nhiệt trở lớn nên nhiệt độ của t−ờng ngoài thấp đồng thời làm giảm độ không đều 
của nhiệt độ trong thân tuốc bin. Đôi khi ng−ời ta thiết kế khe rỗng để thổi gió vào giữa 
làm tách dòng sản phẩm cháy với thân thay cho lớp cách nhiệt. Để hạn chế các vết nứt 
bên trong thân thì yêu cầu tại cổ ống dẫn phải có phân bố nhiệt độ đều và tr−ờng nhiệt độ 
đối xứng qua trục với các lực cân bằng. 
 112
B. Stator 
Bộ phận này gồm thân và những bánh tĩnh. Thân tuốc bin khí phần lớn đ−ợc bảo vệ 
để chống tác dụng trực tiếp của sản phẩm cháy nhờ lớp vật liệu ngăn cách giữa bộ phận 
đặt các bánh tĩnh, thân trung gian và các vòng chèn phía trên dãy cánh động. Mục đích 
dùng thân trung gian là nhằm tạo đ−ợc sự phân bố nhiệt đồng đều quanh chu vi để giảm 
tác dụng của ứng suất nhiệt ở các chế độ chuyển tiếp khi vận hành. Thân trung gian cũng 
có tác dụng phân chia stato thành các phần chức năng nh− chịu lửa, giới hạn dòng sản 
phẩm cháy và phần áp suất với nhiệt độ thấp hơn dùng chuyển đổi những ngoại lực và 
nội lực áp suất nhằm tạo ra khả năng thích hợp cho quá trình biến đổi dòng nhiệt trong 
tuốc bin và cũng để thuận lợi khi mở máy. 
Đối với thiết kế máy bay để thay thế lớp ngăn bên trong nặng hơn của thân ng−ời 
ta dùng cánh thổi không khí áp suất thấp qua không gian giữa hai lớp lót bên trong và 
thân. ở bánh tĩnh, do nhiệt độ thay đổi nhiều nên đ−ợc chế tạo đảm bảo cho phép các 
cánh tĩnh hoặc các cụm cánh tĩnh có thể dãn nở đ−ợc. Ngoài ra để đạt đ−ợc hiệu suất 
cao, trên vành các cánh động có lắp vòng chèn h−ớng kính. 
C. Rôto của tuốc bin khí 
Cấu trúc của roto khác nhau tùy thuộc vào nhiệt độ của sản phẩm cháy vào tuốc 
bin. Khi sản phẩm cháy có nhiệt độ cao hơn, dùng rôto có đĩa thích hợp hơn, vì loại này 
làm mát dễ hơn. Rôto dạng tang trống có −u điểm hơn về mặt công nghệ nh−ng tất 
nhiên chỉ phù hợp đối với nhiệt độ sản phẩm cháy thấp. 
Rôto có đĩa đ−ợc làm nhờ bulông lắp ghép gắn đĩa vào các bích hay nhờ bulông 
siết ở tâm hay bằng vài bulông đặt theo chu vi. Đề các bánh động có thể biến dạng theo 
h−ớng kính một cách độc lập th−ờng nối trục với đĩa nhờ răng khía dọc trục. Rôto của 
tuốc bin nhiều tầng th−ờng đ−ợc đặt trong hai ổ đỡ, còn đối với loại có một đến hai tầng 
thì có thể lắp đĩa lên trục có một đầu tự do. 
ở các tuốc bin làm việc với tốc độ vòng cao, cánh đ−ợc gắn trên đĩa nhờ chân cánh 
dạng cây thông. Cánh quạt động luôn là loại xoắn đ−ợc hiệu chỉnh thích hợp với tiết diện 
nhỏ dần từ gốc đến đỉnh vừa làm giảm trọng l−ợng cánh vừa ít nguy hiểm khi đầu cánh 
chạm phải thân không gây tích tụ nhiệt cục bộ lớn, tạo hiệu quả vận hành tốt. 
D. Cổ ống ra 
Cách bố trí của từng loại thiết bị tuốc bin sẽ quyết định Hình dạng cổ ống ra. Cổ 
ống ra th−ờng h−ớng sản phẩm cháy từ h−ớng dọc trục thành h−ớng vuông góc với trục 
quay. Trong cổ ống ra là ống loe vành khăn dọc trục hay hình côn để chuyển đổi phần 
động năng của sản phẩm cháy thành áp suất ở lối ra từ tuốc bin. 
E. Làm mát tuốc bin khí 
Một ảnh h−ởng đáng kể đến hiệu suất và công suất riêng của tuốc bin khí là nhiệt 
độ sản phẩm cháy tr−ớc tuốc bin. Mức độ ảnh h−ởng của nó hiển nhiên bị giới hạn do 
sức bền của vật liệu giảm khi nhiệt độ tăng. Để vật liệu có thể chịu đ−ợc sản phẩm cháy 
có nhiệt độ cao thì cần làm mát các bộ phận bên ngoài của tuốc bin khí bẵng cách thổi 
không khí nén hay hơi hoặc n−ớc qua. 
Những yêu cầu làm mát là: 
1. Giữ nhiệt độ kim loại các phần ngoài ở giá trị cho phép. 
 113
2. Do ảnh h−ởng của l−ợng không khí đ−ợc trích ra để làm mát nên yêu cầu làm 
mát không v−ợt qui định. 
 3. Để giới hạn sức căng do biến dạng nhiệt gây nên, cần phải làm đồng đều tr−ờng 
nhiệt độ của kim loại ở những chỗ không thể dãn nở đ−ợc. 
4. Hệ thống làm mát cần làm đơn giản, bền vững về hình dạng ở tất cả trạng thái 
vận hành và phải giữ đ−ợc độ tin cậy vận hành. 
5. Cần phải đảm bảo đ−ợc quá trình công nghệ cho phép. 
Làm mát cần tập trung vào những bộ phận chính nh− cánh quạt động, rôto, các 
cánh tĩnh và thân tuốc bin.