Tua bin

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Một tuabin hơi với phần vỏ được mở.

Tuabin (Tua-bin, Tuốc-bin hoặc turbine) là một động cơ quay rút năng lượng từ một luồng chất lỏng hoặc một luồng khí và biến đổi nó thành năng lượng có ích.

Các động cơ tuabin đơn giản nhất có một bộ phận chuyển động, bộ phận rô to thường là trục hoặc trống với các cánh gắn trên đó. Luồng chất khí hoặc lỏng chuyển động tác động lên các cánh, hoặc các cánh tác động trở lại luồng khí hoặc chất lỏng để chúng di chuyển và truyền năng lượng quay cho rô to. Các mẫu tuabin sớm nhất là các cối xay gió và các bánh xe nước.

Các tuabin khi, hơinước thường có vỏ bọc xung quanh các cánh tuabin để chứa và điều khiển chất lưu chuyển động. Người ta công nhận phát minh về tuabin hơi do cả kỹ sư người Anh Sir Charles Parsons (1854-1931) và kỹ sư người Thụy Sĩ Gustaf de Laval (1845-1913) thực hiện. Charles Parsons đã phát minh ra tuabin phản lực và Gustaf de Laval phát minh ra tuabin xung lực (tuabin dòng phun tự do). Các tuabin hơi hiện đại thường sử dụng cả hai kiểu tuabin phản lực và xung lực trong cùng một khối, thường thay đổi độ của phản lực và xung lực từ gốc cánh tuabin tới chu vi của nó.

Một thiết bị tương tự như một tuabin nhưng hoạt động ngược lại, ví dụ như máy nén hoặc bơm. Máy nén hướng trục trong nhiều động cơ tuabin khí là một ví dụ điển hình. Ở đây một lần nữa, cả hai loại tuabin xung và phản lực được sử dụng, trong các máy nén hướng trục hiện đại, độ của phản lực và xung lực thường sẽ khác nhau từ gốc cánh tuabin tới chu vi của nó.

Claude Burdin đặt ra thuật ngữ turbine từ một từ Latinturbo, hay gió xoáy, trong một cuộc thi kỹ thuật năm 1828. Benoit Fourneyron, một học trò của Claude Burdin đã chế tạo tuabin nước thực tế đầu tiên.

Lý thuyết hoạt động[sửa | sửa mã nguồn]

Turbines impulse v reaction.png

Một chất lưu chuyển động chứa thế năng (áp suất ban đầu) và động năng (vận tốc ban đầu). Chất lưu có thể nén hoặc không nén. Một vài nguyên lý vật lý được áp dụng để tạo:

Các tuabin xung lực
Các tuabin kiểu này thay đổi chiều của luồng chất lưu vận tốc lớn hoặc luồng khí phun. Kết quả là xung làm quay tuabin và để lại luồng chất lưu với động năng giảm. Không có thay đổi áp suất của chất lỏng hay khí trong các cánh roto tuabin (các cánh chuyển động), như trường hợp của tuabin hơi hoặc khí, tất cả áp lực giảm diễn ra tại các cánh tuabin tĩnh (miệng phun).

Trước khi tới được tuabin, áp suất ban đầu của chất lưu bị thay đổi thành động năng ban đầu bằng cách đẩy luồng chất lưu vào một miệng phun. Các bánh xe Peltontuabin de Laval chỉ sử dụng quá trình này. Các tuabin xung lực không yêu cầu một khung cửa sổ áp suất xung quanh roto một khi tia chất lưu phun ra từ miệng phun trước khi đến cánh tuabin trên roto. Định luật II Newton miêu tả quá trình truyền năng lượng cho tuabin xung lực.

Các tuabin phản lực
Các tuabin khai thác mô-men quay do phản lực với áp suất hoặc khối lượng của khí hoặc chất lưu. Áp suất của khí hoặc chất lưu thay đổi khi nó đi qua các cánh roto tuabin. Một khung cửa sổ áp suất là cần thiết để chứa chất lưu chuyển động khi nó tác động trong các tầng tuabin hoặc tuabin phải hoàn toàn nhúng chìm trong dòng chất lưu (như với các tuabin gió). Vỏ bọc chứa và định hướng chất lưu làm việc và đối với tuabin nước là duy trì sức hút do ống hút truyền. Tuabin Francis và đa số các tuabin hơi sử dụng khái niệm này. Đối với các chất lưu nén, nhiều tầng tuabin thường được sử dụng để khai thác hiệu quả khí nở ra. Định luật III Newton miêu tả quá trình truyền năng lượng cho các tuabin phản lực.

Trong trường hợp tuabin hơi, chẳng hạn như sẽ được sử dụng cho các ứng dụng hàng hải hoặc cho các máy phát điện trên đất liền, một tuabin phản lực kiểu Parsons sẽ cần khoảng gấp đôi số lượng hàng cánh tuabin so với một tuabin xung lực kiểu Laval, đối với cùng một mức độ chuyển đổi năng lượng nhiệt. Trong khi điều này khiến tuabin Parsons dài hơn và nặng hơn, hiệu suất toàn phần của một tuabin phản lực nhỏ hơn so với tuabin xung lực tương đương cho cùng một chuyển đổi nhiệt năng.

Các tuabin hơi và sau đó, tuabin khí phát triển liên tục trong suốt thế kỷ 20, tiếp tục đều làm như vậy và trong thực tế, thiết kế các tuabin hiện đại sẽ sử dụng cả khái niệm phản lực và xung lực để thay đổi mức độ mỗi khi có thể. Các tuabin gió sử dụng các cánh lớn để tạo lực nâng từ chất lưu chuyển động và truyền nó cho roto (đây là một hình thức phản lực). Tuabin gió cũng có lợi về năng lượng từ xung lực của gió, bằng cách làm lệch cánh ở một góc nhất định. Turbine Crossflow được thiết kế như một cỗ máy xung lực, với miệng phun, nhưng trong các ứng dụng đầu thấp duy trì một số hiệu quả thông quan phản lực, giống như bánh xe nước truyền thống. Các tuabin với nhiều tầng có thể sử dụng hoặc bộ cánh phản lực hoặc bộ cánh xung lực ở áp suất cao. Tuabin hơi truyền thống hơn xung lực nhưng tiếp tục tiến theo hướng thiết kế phản lực tương tự như cái sử dụng trong các Tuabin khí. Ở áp suất thấp chất lưu trung bình nở ra trong thể tích nhỏ để giảm áp suất. Dưới những điều kiện này (được gọi là Tuabin Áp suất Thấp) bộ cánh tuabin trở thành đúng một thiết kế kiểu phản lực với gốc của cánh chỉ có xung lực. Lý do là bởi ảnh hưởng của tốc độ quay đối với mỗi cánh. Với việc tăng thể tích, chiều cao cánh quạt tăng lên, và gốc của cánh quay với tốc độ chậm hơn so với mũi cánh. Sự thay đổi này bắt buộc người thiết kế phải thay đổi xung lực ở gốc, tới một mũi cánh kiểu phản lực lớn.

Các phương pháp thiết kế tuabin cổ điển được phát triển vào giữa thế kỷ 19. Các phân tích vector liên quan đến dòng chảy chất lưu với hình dạng và việc quay tuabin. Các phương pháp tính toán đồ thị đã được sử dụng lần đầu tiên. Công thức cho các kích thước cơ bản của các bộ phận tuabin được lấy tài liệu cẩn thận và một cỗ máy hiệu quả cao có thể tin cậy được thiết kế cho bất kỳ điều kiện dòng chất lưu nào. Một số tính toán dựa trên thực nghiệm hay công thức 'quy tắc theo kinh nghiệm' (rule of thumb), và những người khác dựa trên cơ học cổ điển. Trong khi với đa số những sự tính toán kỹ thuật, việc đơn giản những giả thiết đã được thực hiện.

Tam giác vận tốc có thể được sử dụng để tính toán hiệu suất cơ bản của một tầng tuabin. Khí ra khỏi cánh dẫn miệng phun tuanbin tĩnh ở vận tốc tuyệt đối Va1. Roto quay tại vận tốc U. Quan hệ với roto, vận tốc của khí khi nó tác động đến lối vào roto là Vr1. Khí được quay bởi roto và đi ra với vận tốc Vr2. Tuy nhiên, trong điều kiện tuyệt đối vận tốc ra roto là Va2. Tam giác vận tốc được xây dựng bằng cách sử dụng các vector vận tốc khác nhau. Tam giác vận tốc có thể được xây dựng tại bất kỳ phần nào thông qua bộ cánh tuabin (ví dụ: trục, đầu, đoạn giữa...) nhưng thường được chỉ ra ở bán kính tầng giữa. Hiệu suất trung bình cho tầng có thể được tính từ tam giác vận tốc, ở bán kính này, sử dụng phương trình Euler:

Tập tin:Turbinengvrotor.gif
Tam giác vận tốc tiêu biểu cho một tầng tuabin đơn
\Delta\;h = u\cdot \Delta\;v_w

Do:

\left (\frac{\Delta\;h}{T}\right) =  \left(\frac{u}{\sqrt{T}}\right)\cdot\left(\frac{\Delta\;v_w}{\sqrt{T}}\right)

Ở đây:

\Delta\;h =\, enthalpy riêng rơi qua tầng
T =\, tổng nhiệt độ vào tuabin
u =\, vận tốc ngoại vi roto turbine
\Delta\;v_w =\, thay đổi trong vận tốc quay

Tỷ số áp suất tuabin là hàm của \left(\frac{\Delta\;H}{T}\right) và hiệu suất tuabin.

Thiết kế tuabin hiện đại có thêm các tính toán khác. Tính toán động lực học chất lưu sử dụng máy tính giảm được nhiều điều kiện đơn giản hóa được sử dụng trong các công thức cổ điển và phần mềm máy tính tạo điều kiện tối ưu. Những công cụ này đã dẫn đến những cải tiến đều đặn trong thiết kế tuabin trong hơn 40 năm qua.

Việc phân loại số chủ yếu của tuabin là vận tốc riêng. Số này miêu tả tốc độ của tuabin tại hiệu suất cực đại của nó với công suất và tốc độ dòng chảy. Vận tốc riêng không liên quan đến kích thước tuabin. Khi đưa các điều kiện dòng chảy và mong muốn tốc độ trục ra, vận tốc riêng có thể được tính toán và thiết kế tuabin thích hợp sẽ được chọn.

Vận tốc riêng cùng với một số công thức cơ bản có thể được sử dụng để sắp xếp một cách tin cậy về hiệu suất thiết kế hiện tại được biết tới một kích thước mới với hiệu suất tương ứng.

Hiệu suất ngoài thiết kế trình bày thông thường như một bản đồ tuabin hoặc đặc điểm.