Bài giảng nhiệt động lực học kỹ thuật - Chương 12: Tuabin khí và động cơ phản lực

Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 12: TUABIN KHÍ VAØ ÑOÄNG CÔ PHAÛN LÖÏC CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -1- CHƯƠNG 12 TUABIN KHÍ VÀ ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC 1. TUABIN KHÍ 1.1 Khái quát Động cơ tuabine khí là một trong các loại động cơ nhiệt hiện đại. Động cơ tuabin khí dùng nhiều trong lĩnh vực hàng không và các nhà máy điện công suất lớn. Công sinh ra trong tuabin khí là do động năng của dòng khí chuyển động với vận tốc cao chuyển biến thành cơ năng. Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 12: TUABIN KHÍ VAØ ÑOÄNG CÔ PHAÛN LÖÏC CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -2- Ñoäng cô khôûi ñoäng Maùy neùn Khoâng khí Nhieân lieäu Buoàng ñoát Saûn phaåm chaùy 1 2 3 4 Tuabin khí Caáu taïo ñoäng cô tuabin khí goàm 3 boä phaän chính: - Maùy neùn khí: duøng ñeå taïo doøng khoâng khí coù aùp suaát cao, ñoàng thôøi cung caáp oxy cho quaù trình chaùy nhieân lieäu trong buoàng ñoát. - Buoàng ñoát: duøng ñeå ñoát chaùy nhieân lieäu taïo neân saûn phaåm chaùy (chaát moâi giôùi) coù aùp suaát vaø nhieät ñoä cao. - Tuabin khí: doøng saûn phaåm chaùy phun leân caùc caùnh ñoäng cuûa tuabin laøm tuabin quay taïo ra cô naêng. Moät phaàn cô naêng ñöôïc duøng ñeå cung caáp coâng cho maùy neùn. Nguyeân lyù hoaït ñoäng: khoâng khí ñöôïc maùy neùn höôùng truïc neùn töø aùp suaát p1 ñeán p2 theo quaù trình ñoaïn nhieät, sau ñoù ñöôïc thoåi vaøo buoàng ñoát, nhieân lieäu ñöôïc voøi phun phun vaøo, quaù trình caùu trong buoàng ñoát cung caáp nhieät löôïng cho chu trình, saûn phaåm chaùy ñöôïc ñöa vaøo oáng taêng toác cuûa tuabin (caùnh tónh gaén treân thaân tuabin), qua oáng taêng toác nhieät ñoä vaø aùp suaát doøng khí giaûm xuoáng, toác ñoä vaø ñoäng naêng cuûa doøng khí taêng leân, sau ñoù doøng khí ñöôïc thoåi vaøo heä thoáng caùnh gaén treân ñóa quay cuûa tuabin (caùnh ñoäng), ôû ñaây ñoäng naêng cuûa doøng khí bieán ñoåi thaønh cô naêng laøm quay truïc tuabin. Öu ñieåm cuûa tuabin khí so vôùi ñoäng cô ñoát trong: - Ma saùt nhoû neân hieäu suaát cao. Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 12: TUABIN KHÍ VAØ ÑOÄNG CÔ PHAÛN LÖÏC CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -3- - Ñoä rung ñoäng nhoû, quay oån ñònh. Vaän toác töø 3000voøng/phuùt trôû leân. - Kích thöôùc maùy nhoû phaùt coâng suaát lôùn. Nhöôïc ñieåm: Yeâu caàu vaät lieäu cheá taïo chòu ñöôïc nhieät ñoä cao trong thôøi gian daøi, coâng ngheä cheá taïo cao. Hieäu suaát chöa thaät cao so vôùi ñoäng cô ñoát trong. 1.2 Chu trình tuabin khí caáp nhieät ñaúng aùp (nhö hình treân) Xem chaát moâi giôùi laø khí lyù töôûng. v p S T 1 1 2 2 3 3 4 q1 q2 4 q1 q2q = 0 q = 0 q = 0 q = 0 wTwC wT wC Quaù trình thaûi khí ra moâi tröôøng (4-1) xem laø ñaúng aùp vì lieân tuïc (khaùc vôùi ÑCÑT) Coâng caáp vaøo maùy neùn: wc = cp(T2 – T1), kJ/kg Nhieät löôïng caáp vaøo chu trình: q1 = cp(T3 – T2), kJ/kg Coâng sinh ra cuûa tuabin: wT = cp(T3 – T4), kJ/kg Coâng sinh ra cuûa chu trình: w = wT - wC Hieäu suaát nhieät cuûa chu trình: Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 12: TUABIN KHÍ VAØ ÑOÄNG CÔ PHAÛN LÖÏC CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -4- 1 q w t  Heä soá töï duøng bwr (back work ratio): bwr = T C w w , % 2. ÑOÄNG CÔ PHAÛN LÖÏC Ñoäng cô phaûn löïc laø loaïi ñoäng cô bieán hoaù naêng cuûa nhieân lieäu thaønh ñoäng naêng vaø ñaåy ñoäng cô veà phía tröôùc theo nguyeân taéc phaûn löïc. Maùy neùn Nhieân lieäu Buoàng ñoát 1 2 3 4 Tuabin khí a OÁng taêng aùp b OÁng taêng toác S T 1 2 3 4 q1 q2 wT wC a b Nguyeân lyù laøm vieäc: - Khoâng khí ñöôïc neùn sô boä qua oáng taêng aùp; (quaù trình 1-a) - Sau ñoù khoâng khí ñöôïc neùn tieáp tuïc nhôø maùy neùn; (quaù trình a-2) Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 12: TUABIN KHÍ VAØ ÑOÄNG CÔ PHAÛN LÖÏC CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -5- - Quaù trình chaùy xaûy ra trong buoàng ñoát; (quaù trình 2-3) - Quaù trình giaõn nôû trong tuabin khí; (quaù trình 3-b) - Quaù trình giaõn nôû qua oáng taêng toác ñeå phun ra ngoaøi; (quaù trình b-4). Moät soá giaû thieát ñeå tính toaùn: - Coâng sinh ra cuûa tuabin khí baèng coâng caáp vaøo maùy neùn: wc = cp(T2 – Ta) wT = cp(T3 – Tb) wc = wT - Löu löôïng khoái löôïng cuûa moâi chaát löu ñoäng trong ÑCPL taïi moåi vò trí laø nhö nhau. - Vaän toác khoâng khí vaøo ÑCPL baèng vaän toác maùy bay. - ; a 1  4  b Duøng coâng thöùc trong phaàn 1.2 chöông Löu ñoäng vaø tieát löu ta coù caùc quan heä sau: )TT(c ap 1 2 1 2   )TT(c bp   4 2 4 2 Löïc ñaåy F = G( 14  ) Coâng suaát ñaåy Wp = F mb = G( ;) mb 14 ( 1mb ) Hieäu suaát ñaåy 1 Q W p p  3. BAØI TAÄP Moät maùy bay phaûn löïc bay vôùi vaän toác 260m/s trong khoâng trung coù aùp suaát 0,35bar vaø nhieät ñoä -40 o C. Tyû soá neùn cuûa maùy neùn laø 10, nhieät ñoä khí vaøo tuabin laø 1100 o C, löu löôïng khoâng khí qua maùy neùn laø 45kg/s. Laáy cp=1kJ/kg.K Xaùc ñònh: Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät CHÖÔNG 12: TUABIN KHÍ VAØ ÑOÄNG CÔ PHAÛN LÖÏC CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ -6- - Nhieät ñoä vaø aùp suaát khí sau tuabin - Vaän toác khí ra khoûi oáng taêng toác - Hieäu suaát ñaåy cuûa chu trình.