Tua bin khí và Tua bin hơi
Tua bin là một loại máy móc tuabin được sử dụng để chuyển đổi năng lượng trong chất lỏng chảy thành năng lượng cơ học bằng cách sử dụng các cơ cấu rôto. Nói chung, tuabin chuyển đổi nhiệt năng hoặc động năng của chất lỏng thành công. Tua bin khí và tua bin hơi là máy móc tuabin nhiệt, nơi công được tạo ra từ sự thay đổi entanpi của chất lỏng làm việc; tức là thế năng của chất lỏng ở dạng áp suất được chuyển thành cơ năng.
Dựa trên hướng của tuabin dòng chất lỏng được phân loại thành tuabin dòng hướng trục và tuabin dòng hướng tâm. Về mặt kỹ thuật, tuabin là một bộ giãn nở, mang lại công suất cơ học bằng cách giảm áp suất, đây là hoạt động ngược lại của máy nén. Bài viết này tập trung vào loại tuabin dòng hướng trục, loại tuabin thông dụng hơn trong nhiều ứng dụng kỹ thuật.
Cấu trúc cơ bản của tuabin dòng hướng trục được thiết kế để cho phép dòng chất lỏng liên tục trong khi chiết xuất năng lượng. Trong tuabin nhiệt, chất lỏng làm việc, ở nhiệt độ cao và áp suất được dẫn qua một loạt các rôto bao gồm các cánh góc gắn trên một đĩa quay gắn với trục. Ở giữa mỗi đĩa rôto được gắn các cánh tĩnh, hoạt động như vòi phun và dẫn hướng cho dòng chất lỏng.
Thông tin thêm về Tua-bin hơi nước
Mặc dù khái niệm sử dụng hơi nước để làm công việc cơ khí đã được sử dụng từ lâu, nhưng tuabin hơi nước hiện đại đã được thiết kế bởi kỹ sư người Anh Sir Charles Parsons vào năm 1884.
Tua bin hơi sử dụng hơi có áp suất từ lò hơi làm chất lỏng hoạt động. Hơi quá nhiệt đi vào tuabin làm mất áp suất của nó (entanpi) di chuyển qua các cánh của rôto, và các rôto di chuyển trục mà chúng được nối với nhau. Tua bin hơi nước cung cấp năng lượng với tốc độ ổn định, trơn tru và hiệu suất nhiệt của tuabin hơi cao hơn của động cơ pittông. Hoạt động của tuabin hơi nước là tối ưu ở trạng thái RPM cao hơn.
Nghiêm túc mà nói, tuabin chỉ là một thành phần duy nhất của hoạt động theo chu kỳ được sử dụng để phát điện, được mô hình hóa lý tưởng bởi chu trình Rankine. Nồi hơi, bộ trao đổi nhiệt, máy bơm và bình ngưng cũng là thành phần của hoạt động nhưng không phải là bộ phận của tuabin.
Trong thời hiện đại, mục đích sử dụng chính của tuabin hơi nước là để sản xuất điện, nhưng vào đầu thế kỷ 20, tuabin hơi nước được sử dụng làm nhà máy điện cho tàu thủy và động cơ đầu máy. Ngoại lệ, trong một số hệ thống động cơ hàng hải mà động cơ diesel không thực tế, chẳng hạn như tàu sân bay và tàu ngầm, động cơ hơi nước vẫn được sử dụng.
Thông tin thêm về Tuabin khí
Động cơ tuabin khí hay đơn giản là tuabin khí là một động cơ đốt trong, sử dụng các chất khí như không khí làm chất lỏng hoạt động. Khía cạnh nhiệt động lực học của hoạt động của tuabin khí được mô hình hóa một cách lý tưởng bởi chu trình Brayton.
Động cơ tuabin khí, không giống như tuabin hơi, bao gồm một số thành phần chính; đó là máy nén, buồng đốt và tuabin được lắp ráp dọc theo một trục quay để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau của động cơ đốt trong. Khí nạp từ đầu vào được nén đầu tiên bằng máy nén hướng trục; hoạt động hoàn toàn ngược lại với một tuabin đơn giản. Sau đó, khí có áp suất được dẫn qua bộ khuếch tán (vòi phun phân kỳ), trong đó khí mất vận tốc, nhưng làm tăng nhiệt độ và áp suất hơn nữa.
Trong giai đoạn tiếp theo, khí đi vào buồng đốt, nơi nhiên liệu được trộn với khí và đốt cháy. Kết quả của quá trình đốt cháy, nhiệt độ và áp suất của khí tăng lên mức cực kỳ cao. Khí này sau đó đi qua phần tuabin, và khi đi qua sẽ tạo ra chuyển động quay cho trục. Một tuabin khí kích thước trung bình tạo ra tốc độ quay trục cao tới 10, 000 vòng / phút, trong khi các tuabin nhỏ hơn có thể tạo ra gấp 5 lần.
Tua bin khí có thể được sử dụng để tạo ra mô-men xoắn (bằng trục quay), lực đẩy (bằng cách xả khí tốc độ cao) hoặc cả hai kết hợp. Trong trường hợp đầu tiên, cũng như trong tuabin hơi, công cơ học do trục truyền chỉ đơn thuần là sự biến đổi entanpi (áp suất) của khí có nhiệt độ và áp suất cao. Một phần của công tác trục được sử dụng để dẫn động máy nén thông qua một cơ cấu bên trong. Dạng tuabin khí này được sử dụng chủ yếu để sản xuất điện và làm nhà máy điện cho các phương tiện giao thông như xe tăng và thậm chí cả ô tô. Xe tăng M1 Abrams của Mỹ sử dụng động cơ tuabin khí làm nhà máy điện.
Trong trường hợp thứ hai, khí áp suất cao được dẫn qua một vòi phun hội tụ để tăng vận tốc, và lực đẩy được tạo ra bởi khí thải. Loại tuabin khí này thường được gọi là động cơ phản lực hoặc động cơ phản lực, cung cấp năng lượng cho máy bay chiến đấu quân sự. Động cơ phản lực cánh quạt là một biến thể nâng cao ở trên, và sự kết hợp của cả lực đẩy và công suất được sử dụng trong động cơ phản lực cánh quạt, nơi công tác trục được sử dụng để dẫn động một cánh quạt.
Có rất nhiều biến thể của tuabin khí được thiết kế cho các nhiệm vụ cụ thể. Chúng được ưa chuộng hơn các động cơ khác (chủ yếu là động cơ pittông) do tỷ số công suất trên trọng lượng cao, ít rung, tốc độ vận hành cao và độ tin cậy. Nhiệt thải được tản ra gần như hoàn toàn dưới dạng khí thải. Trong sản xuất điện, nhiệt năng thải này được sử dụng để đun sôi nước chạy tuabin hơi nước. Quá trình này được gọi là sản xuất điện chu trình kết hợp.
Sự khác biệt giữa Tua bin hơi và Tua bin khí là gì?
• Tuabin hơi sử dụng hơi nước áp suất cao làm chất lỏng làm việc, trong khi tuabin khí sử dụng không khí hoặc một số khí khác làm chất lỏng hoạt động.
• Tuabin hơi về cơ bản là một bộ giãn nở cung cấp mô-men xoắn dưới dạng đầu ra công việc, trong khi tuabin khí là một thiết bị kết hợp của máy nén, buồng đốt và tuabin thực hiện hoạt động tuần hoàn để cung cấp công việc dưới dạng mô-men xoắn hoặc lực đẩy.
• Tua bin hơi nước chỉ là một thành phần thực hiện một bước của chu trình Rankine, trong khi động cơ tuabin khí thực hiện toàn bộ chu trình Brayton.
• Tua bin khí có thể cung cấp mô-men xoắn hoặc lực đẩy làm đầu ra công việc, trong khi tuabin hơi gần như luôn luôn cung cấp mô-men xoắn dưới dạng đầu ra công việc.
• Hiệu suất của tuabin khí cao hơn nhiều so với tuabin hơi do nhiệt độ hoạt động của tuabin khí cao hơn. (Tua bin khí ~ 1500 0C và tua bin hơi ~ 550 0C)
• Không gian cần thiết cho tuabin khí ít hơn nhiều so với hoạt động của tuabin hơi, vì tuabin hơi cần có nồi hơi và bộ trao đổi nhiệt, phải được kết nối bên ngoài để bổ sung nhiệt.
• Tua bin khí linh hoạt hơn, vì có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu và chất lỏng hoạt động, phải được cung cấp liên tục, luôn có sẵn ở khắp mọi nơi (không khí). Mặt khác, tuabin hơi nước cần một lượng lớn nước để vận hành và có xu hướng gây ra các vấn đề ở nhiệt độ thấp hơn do đóng băng.
