Nguyên lý hoạt động tuabin hơi (steam turbine)

Giới thiệu

Tua bin hơi (steam turbine) là loại máy biến đổi nhiệt năng sinh ra từ hơi có áp suất thành động năng sau đó chuyển hóa thành cơ năng làm trục quay. Trục này được kết nối với một máy phát điện (Generator) để sản xuất điện.

Một phần rất lớn các yêu cầu về điện năng của thế giới được đáp ứng bởi các tuabin hơi nước này, có mặt trong các nhà máy điện hạt nhân, nhiệt điện và điện than.

Riêng ở Mỹ, khoảng 88% điện năng được sản xuất bằng cách sử dụng các tuabin hơi nước.

Tua bin hơi nước hiện đại đầu tiên được phát triển bởi Sir Charles A. Parsons vào năm 1884. Kể từ đó, rất nhiều cải tiến đáng kể đã được thực hiện về năng lực và hiệu quả sản xuất.

Tua bin hơi nước được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện chu trình hỗn hợp. Trong các nhà máy này, tuabin khí tạo ra nhiệt và năng lượng từ khói thải có thể được tận dụng để sản xuất hơi nước để chạy tuabin hơi. Sự kết hợp của hai tuabin này với nhau giúp sản xuất điện có hiệu quả trong các nhà máy này.

Về cơ bản, hiện nay trên thị trường có hai loại tuabin hơi nước hoạt động dựa trên dòng hơi:

1. Tua bin phản kích (Reaction turbine) 

2. Tua bin xung kích (Impulse turbine).

Hầu hết các tuabin đang sử dụng, có sự kết hợp của cả hai thiết kế (xung kích và phản kích) trong các cấp khác nhau của 1 tuabin hơi.

Các vùng áp suất thấp hơn, sẽ có thiết kế phản kích và các vùng áp suất cao hơn, sẽ có thiết kế xung kích.

Tua bin xung kích được cấu tạo bởi các cánh chuyển động xen kẽ với các vòi phun cố định. Trong tuabin xung kích, hơi nước được giãn nở trong các vòi phun cố định và duy trì ở áp suất không đổi khi đi qua các cánh quạt. Tuabin Curtis , tuabin Rateau, hoặc tuabin Brown-Curtis là loại tuabin xung kích. Tua bin hơi nước ban đầu, De Laval, là một tuabin xung kích có bánh một cánh.

Toàn bộ quá trình giảm áp suất của hơi nước chỉ diễn ra trong các vòi phun tĩnh (nozzle). Mặc dù các cánh tạo xung lực về lý thuyết không có độ giảm áp suất trong các cánh chuyển động, nhưng trên thực tế, để dòng chảy diễn ra trên các cánh chuyển động, cũng phải có một sự giảm áp suất nhỏ trên các cánh chuyển động.

Xem kênh Youtube của Bảo Dưỡng Cơ Khí! Hãy đăng ký kênh để nhận thông báo video mới nhất về Tuabin hơi

Trong trường hợp tuabin phản kích, áp suất hơi nước giảm dần khi nó giãn nở khi đi qua các cặp cánh tĩnh (cố định trên vỏ máy) - cánh động (trên rô-to). Không có vòi phun nào trong tuabin phản kích vì bản thân cánh tĩnh hoạt động như vòi phun.

Hình ảnh về tuabin xung kích: Cánh xung kích quay trên rô-to kết hợp với vòi phun cố định

Hình cánh rô to tuabin phản kích

Xem thêm

Nguyên lý làm việc của tuốc bin hơi

 Biểu đồ phác họa cho thấy sự khác biệt giữa một tuabin xung kích và tua bin phản kích

a.    Nguyên lý tác dụng của dòng hơi và đặc tính tầng của tuabin xung kích.

Cho một dòng hơi có động năng lớn thổi vào một bản phẳng dòng hơi tác dụng lên bản phẳng với ba dạng : đẩy vật dịch chuyển theo phương chiều tác dụng của dòng hơi – ma sát sinh nhiệt tại chỗ của (dòng hơi) hạt hơi và bản phẳng bắn hạt hơi bật trở lại theo mọi phương (Hình 1).

Hình 1 : Tác dụng xung kích biến đổi động năng thành cơ năng.

Trong ba dạng đó tác dụng đẩy phẳng là tác dụng xung kích của dòng hơi biến động năng của dòng hơi thành công cơ học. Nếu bản phẳng được gắn bánh xe thì nó sẽ chuyển động ta được công có ích tác dụng có ích của dòng hơi tăng lên nếu hai dạng tổn thất năng lượng kia giảm đi.

Nếu ta thay đổi hình dạng bản phẳng thành mặt cong hợp lý và vị trí thổi của dòng hơi thích hợp ta sẽ giảm được hai dạng tổn thất đó và tác dụng của dòng hơi tăng lên.

Để giải thích tác dụng của dòng hơi lên cánh ta khảo sát dòng chảy trong cánh bán nguyệt (Hình 2).

 

Hình 2: Nguyên lý tác dụng xung lực của hạt hơi có khối lượng chuyển  động lên cánh.

Khi dòng chảy dọc theo bề mặt cánh các hạt hơi ở a,b,c hay bất kỳ điểm nào trên cánh đều xuất hiện lực ly tâm P tác dụng lên cánh. Lực này được phân tích thành hai lực thành phần : Pa hướng vuông góc với phương dòng chảy và Pu hướng trùng với hướng dòng chảy. Các thành phần Pa đối xứng nhau sẽ triệt tiêu nhau không ảnh hưởng đến sự chuyển động của cánh. Các thành phần Pu tổng hợp thành lực làm dịch chuyển cánh theo phương tác dụng thực hiện công cơ học . Động năng của dòng hơi càng lớn và cánh càng cong thì tác dụng xung kích của dòng hơi càng lớn. Trên thực tế các Prophin của các cánh tuabin không phải hình bán nguyệt phương của dòng hơi không trùng với phương chuyển động của bánh công tác. Tuy có sự khác nhau như vậy song nguyên tắc tác dụng của dòng hơi trên cánh không thay đổi.

Để tạo ra động năng cho dòng hơi phía trước dãy cánh được bố trí bộ phận phun hơi gọi là ống phun. Trong ống phun dòng hơi có thế năng ban đầu giãn nở áp suất giảm, tốc độ lưu động tăng. Thế năng của dòng hơi được biến đổi thành động năng khi ra khỏi ống phun được thổi vào (dãy cánh) rãnh cánh. Các cánh được gắn trên đĩa gọi là bánh động, đĩa này được gắn trên trục máy. Toàn bộ khối chi tiết được gắn với nhau được gọi là rô to. Khi lưu động dòng hơi từ cửa vào của ống phun đến mép ra của rãnh cánh dòng hơi đã được thực hiện một dòng hơi hoàn chỉnh. Một cụm bao gồm ống phun và vành cánh như vậy là một tầng xung kích của tuabin (Hình 3).

Hình 3 : Sơ đồ tầng xung kích

Biểu diễn sơ đồ của một tầng xung kích. Phía trên là đồ thị thay đổi áp suất và vận tốc tuyệt đối của dòng hơi đi qua tầng. Ở cửa vào của ống phun 1 hơi có áp suất là Po tốc độ chảy là Co. Trong ống phun nó giãn nở áp suất giảm đến P1 còn tốc độ chảy tăng đến C1. Khi chảy vào rãnh cánh dòng hơi biến đổi động năng thành cơ năng làm quay rô to quá trình này áp suất không đổi P2 = P1 còn tốc độ giảm xuống C2. Dòng hơi ra khỏi rãnh cánh còn động năng nhỏ ứng với tốc độ C2.

Trong tầng xung kích như trên hơi chỉ giãn nở trong ống phun, trên các cánh rãnh hơi không giãn nở do đó hình rãnh cánh được làm đối xứng. Khe hở mép vào rãnh cánh bằng khe hở mép ra của rãnh.

b.    Nguyên tắc tác dụng phản kích của dòng hơi và đặc tính tầng phản kích.

Khác với tầng xung kích, rô to của tầng phản kích quay được không chỉ dựa vào tác dụng xung kích của dòng hơi lên cánh mà còn nhờ tác dụng phản lực của dòng hơi lên cánh. Tác dụng phản lực sinh ra khi hơi giãn nở trên rãnh cánh. Nguyên tắc tác dụng phản kích  của dòng hơi trên cánh được biểu diễn trên hình 4

Hình  4 : Sơ đồ tầng phản kích

Khi chảy qua ống phun 1 dòng hơi giãn nở lần thứ nhất áp suất giảm từ P0 xuống P1 ; tốc độ tăng từ C0 đến C1. Các cánh 2 có Prophin đặc biệt sao cho các  rãnh cánh cũng có hình dáng gần giống như ống phun. Khi dòng chảy vào cánh sẽ xảy ra sự giãn nở lần thứ hai 2 làm áp suất giảm tiếp từ P1 xuống P2 động năng tăng thêm. Cùng với quá trình giảm lần hai động năng cả hai lần gãn nở được biến đổi thành cơ năng. Sau vành cánh động năng còn lại ứng với tốc độ C2 rất nhỏ. Sự giãn nở của dòng hơi trong các  rãnh cánh gây ra gia tốc của dòng trong đó.Gia tốc này tạo nên phản lực tác dụng lên Prophin cánh.

c.    Nguyên lý hoạt động tuabin hơi :

Từ nguyên lý tác dụng của dòng hơi người ta đã chế tạo nên nhiều dạng tuabin khác nhau và Hình 5 là sơ đồ nguyên lý đơn giản nhất của một tuabin xung kích. Nguyên lý làm việc như sau: sau khi ra khỏi bộ qúa nhiệt của lò hơi, hơi được đưa qua van điều chỉnh vào tuabin. Để biến nhiệt năng của dòng hơi thành động năng, người ta cho dòng hơi đi qua các rãnh có hình dáng đặc biệt, gọi là ống phun. Khi đi qua ống phun , áp suất và nhiệt độ dòng hơi giảm xuống, tốc độ dòng hơi tăng lên đến C1, nhiệt năng biến thành động năng. Ra khỏi ống phun, dòng hơi có động năng lớn đi vào cánh động, khi dòng hơi ngoặt hướng theo các rãnh cong của cánh động, sẽ sinh ra một lực ly tâm tác dụng lên cánh động, biến động năng của dòng hơi thành công đẩy cánh động quay. Vì cánh động được gắn trên bánh động và bánh động được gắn trên trục tuabin, tức là bánh động và trục tuabin cùng quay. Hơi ra khỏi cánh động sẽ mất động năng nên tốc độ giảm xuống đến C2 và được dẫn ra theo ống thoát hơi. Hơi này sẽ được đưa tới bình ngưng để biến hơi thành nước sau đó được bơm nước cấp đưa tới lò hơi.

Hình 5 : Sơ đồ nguyên lý họat động của tuabin hơi

How does a Steam Turbine Work?

Sự khác nhau giữa tuabin xung kích và tuabin phản kích

Tua bin xung kích	Tua bin phản kích
1. Trong tuabin xung kích, tất cả năng lượng áp suất được chuyển thành động năng thông qua các vòi phun.	1.       Trong tuabin phản kích; năng lượng áp suất của lưu chất được chuyển đổi một phần bởi các cánh cố định.
2. Cánh quay rô-to chỉ chịu động năng.	2.       Cánh quay rô-to chịu cả áp suất và động năng.
3. Lưu chất chảy qua các vòi phun để tác động vào các cánh chuyển động.	3.       Lưu chất chảy qua các cánh cố định để tác động vào các cánh chuyển động.
4. Trong tua bin xung kích áp suất trên các cánh không đổi.	4.       Trong phản kích Tua bin áp suất trên các cánh quạt giảm dần.
5. Lưu Chất (Khí, hơi nước hoặc nước) có thể được bơm vào toàn bộ bánh rôto; có thể có một số khoảng cách giữa bánh xe và cánh gạt.	5.       Các bánh xe (wheel) phải luôn chạy đầy; nghĩa là lưu chất phải được phun vào sao cho không để lại khe hở giữa bánh xe và cánh gạt (vane).
6. Tua bin xung kích có tốc độ hoạt động cao.	6.       Các tuabin phản kích có tốc độ hoạt động thấp.
7. Trong tuabin Xung kích, vận tốc tương đối của lưu chất (Khí, Hơi nước hoặc nước) vẫn khá giống nhau trên các cánh quạt.	7.       Trong tuabin phản kích, vận tốc tương đối của lưu chất (Khí, Hơi nước hoặc nước) tăng dần qua các cánh quạt.
8. Áp suất giảm đột ngột qua vòi phun dẫn đến kích thước tuabin nhỏ hơn cho cùng một công suất.	8.       Áp suất giảm dần trên các cánh tuabin dẫn đến kích thước tuabin lớn hơn hoặc dài hơn cho cùng một công suất.
9. Tuabin nhiều tầng cánh có thể sử dụng được với tuabin xung kích ở dạng kết hợp áp suất, vận tốc và hỗn hợp.	9.       Các tuabin phản kích không thể thiết kế tổ hợp nhiều tầng cánh.
10. Trong tuabin xung kích, tốc độ dòng chảy có thể được kiểm soát dễ dàng mà không bị thất thoát	10.   Việc điều chỉnh tốc độ dòng chảy trong tuabin phản kích không dễ dàng như vậy và không thể thực hiện được mà không bị tổn thất.
11. Tương đối hiệu quả hơn	11.   Tương đối kém hiệu quả
12. Yêu cầu bảo trì ít hơn	12.   Yêu cầu bảo trì nhiều hơn
13. Được sử dụng để đẩy hơi nước của tàu thủy và tàu ngầm, phát điện và vận chuyển hàng hóa trên tàu và các nhà máy lọc dầu.	13.   Được sử dụng chủ yếu để phát điện.

Xin chào bạn! 

Nếu bạn đang thích trang web của chúng tôi và thấy các bài viết của chúng tôi hữu ích, chúng tôi rất mong nhận được sự ủng hộ của bạn. Với sự giúp đỡ của bạn, chúng tôi có thể tiếp tục phát triển tài nguyên và cung cấp cho bạn nội dung có giá trị hơn nữa. 

Cảm ơn bạn đã ủng hộ chúng tôi.

Nguyễn Thanh Sơn

Related Posts by Categories