- 1 -

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, phương tiện thủy đóng vai trò quan trọng trong đời sống của con
người. Phương tiện thủy đã, đang và sẽ phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu về
kinh tế, vận tải, quân sự… ngày càng lớn của con người. Chính vì lẽ đó mà thiết bị
năng lượng tàu thủy cũng được chú trọng phát triển mạnh.
Thiết bị năng lượng tàu thủy có công suất lớn, hiệu suất cao, tiết kiệm được
nhiên liệu…sẽ là những ưu tiên đầu tiên để phát triển. Nhiều thập niên gần đây,
Thiết bị năng lượng diesel tàu thủy có nhiều tính năng ưu việt đã chiếm đa phần
trong việc trang bị thiết bị năng lượng trên tàu thủy. Song ngày nay và trong tương
lai gần, thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy sẽ dần thay thế vì nó có những tính
năng đáp ứng tốt những nhu cầu khách quan của con người như: Công suất lớn, tốc
độ cao…
Nắm bắt được vai trò và tầm quan trọng của loại thiết bị năng lượng tuabin khí
tàu thủy. Được sự đồng ý của hiệu trưởng trường đại học Nha Trang, khoa kỹ thuật
tàu thủy, các thầy trong bộ môn động lực tàu thủy. Em được phân công thực hiện
khoá luận tốt nghiệp: ”Phân tích cơ sở lý thuyết và mô phỏng đặc điểm cấu tạo,
nguyên lý làm việc của thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy”. Do thầy Th.S
Phùng Minh Lộc hướng dẫn với nhiệm vụ chính:
 Tổng quan về thiết bị năng lượng tàu thủy.
 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị năng lượng tuabin khí.
 Mô phỏng đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị năng lượng
tuabin khí.
Với những yêu cầu đề tài đặt ra, qua hơn ba tháng, với sự hướng dẫn tận tình
của thầy Th.S Phùng Minh Lộc và các thầy trong khoa, em đã cố gắn hoàn thành tốt
nhất những yêu cầu của đề tài.


CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ THIẾT
BỊ NĂNG LƯỢNG TÀU
- 4 -
1.1 Khái niệm, công dụng, thành phần và phân loại thiết bị năng tàu thủy.

- 5 -
- Các máy móc và thiết bị của hệ thống chung toàn tàu (cấp thoát nước sinh
hoạt, sưởi ấm, sấy nóng, thông gió và điều hoà không khí, hút khô, cứu hỏa, cứu
đắm, dằn và cân bằng tàu, thu gom và xử lý nước thải…).
- Các hệ thống điều khiển, kiểm tra và bảo vệ từ xa của thiết bị năng lượng
chính và thiết bị năng lượng phụ, các máy móc và các hệ thống chung toàn tàu.
1.1.4. Phân loại thiết bị năng lượng tàu thủy.
Có nhiều cách phân loại thiết bị năng lượng tàu thủy.
 Theo loại nhiên liệu sử dụng phân ra:
- Thiết bị năng lượng sử dụng than.
- Thiết bị năng lượng sử dụng dầu.
- Thiết bị năng lượng sử dụng hạt nhân.
 Theo loại môi chất công tác:
- Thiết bị năng lượng hơi nước.
- Thiết bị năng lượng khí cháy.
 Theo động cơ chính phân ra:
- Thiết bị năng lượng máy hơi nước.
- Thiết bị năng lượng tuabin hơi.
- Thiết bị năng lượng tuabin khí.
- Thiết bị năng lượng động cơ đốt trong.
 Theo chu trình công tác phân ra:
- Thiết bị năng lượng hoạt động theo chu trình kín (hơi nước).
- Thiết bị năng lượng hoạt động theo chu trình hở (hỗn hợp khí cháy).
 Theo phương thức truyền động phân ra:
- Thiết bị năng lượng truyền động trực tiếp.
- Thiết bị năng lượng truyền động gián tiếp.
- Thiết bị năng lượng truyền động điện.
- Thiết bị năng lượng truyền động bằng chân vịt biến bước.
 Theo số đường trục phân ra:
- Thiết bị năng lượng một đường trục.

lượng các tàu đóng mới. Dù rằng thiết bị năng lượng tuabin khí ngày càng chiếm ưu
thế trên các tàu cỡ lớn, nhưng trong tương lai người ta dự đón rằng thiết bị năng
lượng diesel sẽ là loại TBNL chủ yếu của tàu sông và sông pha biển.
- 7 -
TBNL diesel tàu thủy được sử dụng phổ biến trên các tàu có công dụng khác
nhau do chúng có những ưu điểm sau:
- Có khả năng tạo được tổ hợp công suất ở phạm vi lớn trên cơ sở các kiểu kích
thước xilanh tiêu chuẩn.
- Có thể lựa chọn nhiều phương án truyền động khác nhau.
- Tính kinh tế tương đối cao.
- Tương đối đơn giản trong việc tự động hóa điều khiển.
Người ta phân nhóm cho động cơ diesel tàu thủy theo tốc độ trung bình của
piston và số vòng quay (n) của trục khuỷu như sau:
- Các động cơ thấp tốc và có số vòng quay thấp: n < 200 v/ph, C
m
< 6,6 m/s.
- Các động cơ diesel thấp tốc và có số vòng quay trung bình: n = 200 ÷ 300
v/ph, C
m
< 6,6 m/s.
- Các động cơ diesel cao tốc trung bình có số vòng quay trung bình: n = 200 ÷
500 v/ph, C
m
= 6,6 ÷ 10 m/s.
- Các động cơ diesel cao tốc trung bình có số vòng quay cao: n = 600 ÷ 1000
v/ph, C
m

- TBNL tuabin khí tàu thủy là một loại động cơ nhiệt, trong đó nhiệt năng biến
thành cơ năng nhờ những bộ phận quay có cánh.

5
1 6
2 8
3
4
a
b c

Hình 1.1. Sơ đồ đơn giản của một TBNL tuabin khí tàu.
1- Cửa nạp. 2- Máy nén khí. 3- Buồng đốt. 4- Vòi phun.
5- Tua bin. 6- Cửa thải. 7- Bích nối với động cơ khởi
động. 8- Bích nối với máy công tác (chân vịt).

- Công suất tổ hợp thiết bị lớn, trong khi khối lượng và kích thước nhỏ, diện tích
chiếm chỗ và thể tích buồng máy nhỏ.
- Độ tin cậy cao, nhờ nguyên tắc tác động quay và sự đơn giản của sơ đồ động.
- Đơn giản trong việc bảo dưỡng, có khả năng khởi động nhanh và tính tăng tốc
cao.
- Có khả năng nghiên cứu hoàn thiện chu trình nhiệt và kết cấu nhằm nâng cao
hiệu suất và giảm chi phí nhiên liệu.
- Thích nghi tốt với việc tự động hoá và điều khiển từ xa do đơn giản được việc
khởi động và điều khiển.
Nhược điểm:
- Tính kinh tế tương đối thấp vì nhiệt độ ban đầu của khí cháy bị giới hạn.
- Sự phụ thuộc của độ tin cậy và tính kinh tế của thiết bị tuabin khí chu trình hở
vào sự ăn mòn của môi trường ngoài.
- 10 -
- Yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng nhiên liệu sử dụng trong thiết bị tuabin khí
chu trình hở và chi phí cho nó lớn.
- Khó đảo chiều của các thiết bị cỡ lớn.
- Kích thước ống không khí và khí cháy lớn nên gây phức tạp cho việc lắp thiết
bị tuabin khí trên tàu.
Thiết bị năng lượng tuabin khí được chế tạo và ứng dụng trên tàu từ những
năm đầu của thế kỷ trước và là một loại TBNL tàu thủy có công suất và tốc độ lớn.
Nhưng do tính ưu việt của TBNL động cơ diesel nên TBNL tuabin khí tàu thủy ít
được sử dụng phổ biến. Song, do nhu cầu vận tải lớn lượng hàng hoá trong tương
lai, TBNL tuabin khí sẽ là sự lựa chọn đầu tiên thay thế cho động cơ diesel.
1.3.3 TBNL tuabin hơi tàu thủy.
Trong TBNL tuabin hơi thì môi chất công tác được tuần hoàn không ngừng
theo vòng kín, trong đó diễn ra sự thay đổi trạng thái của môi chất công tác (nước –

hơi quá nhiệt, hơi quá nhiệt được đưa đến tuabin (3) qua hệ thống miệng phun. Tại
miệng phun nơi tiến hành giãn nở, biến một phần thế năng thành động năng rồi
được đưa vào dãy cánh công tác của tuabin để biến động năng thành cơ năng, làm
quay trục tuabin. Công suất do tuabin sản ra được truyền qua hộp số (2), đến chân
vịt (1). Hơi nước sau khi ra khỏi tuabin (3) được đưa đến thiết bị ngưng tụ (6) để
biến thành nước, rồi được bơm cấp (5) cấp trở lại nồi hơi (4), hoàn thành chu trình
công tác.
TBNL tuabin hơi được sử dụng trên các tàu hơi nước cỡ lớn của hạm tàu biển.
Nó cho phép tạo ra công suất chung trên trục chân vịt của tàu đến 220.10
3
kW và
lớn hơn nữa.
1.3.4 TBNL nguyên tử tàu thủy.
TBNL nguyên tử tàu thủy có lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị sinh nhiệt.
Sơ đồ nguyên lý TBNL nguyên tử được thể hiện trên hình 1.3. Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý thiết bị năng lượng nguyên tử.
1. Vỏ. 2. Thanh kìm hãm phản ứng. 3. Lò
phản ứng.
5. Tuabin hơi. 4. Thiết bị trao đổi nhiệt . 6. Hộp

- 13 -
hiện bằng những chu trình khác nhau, trong đó có 2 loại chu trình cơ bản thực sự có
ý nghĩa là:
- Chu trình cấp nhiệt đẳng áp (cháy đẳng áp) – chu trình Bragtôn.
- Chu trình cấp nhiệt đẳng tích (cháy đẳng tích) – chu trình Hunphrêy.
2.1.2. Thành phần TBNL tuabin khí tàu thủy.
Cũng giống như các loại TBNL khác trên tàu thủy, TBNL tuabin khí tàu thủy
bao gồm:
- Thiết bị năng lượng chính:
+ Thiết bị tuabin khí.
+ Máy móc, thiết bị phụ: Máy khởi động, ắc quy đánh lửa….
+ Các hệ thống phục vụ: Hệ thống nhiên liệu, hệ thống bôi trơn….
+ Hệ trục và bộ truyền.
- Thiết bị năng lượng phụ bao gồm các máy móc biến đổi và sử dụng năng
lượng của thiết bị tuabin khí sinh ra. TBNL phụ bao gồm: Máy phát tuabin khí, trạm
ắcqui… và các hệ thống phục vụ cho các thiết bị năng lượng phụ ( hệ thống nhiên
liệu của máy phát tuabin…).
- Các máy móc và thiết bị của hệ thống chung toàn tàu như: Hệ thống cấp nước
sinh hoạt, hệ thống sưởi ấm , hút khô, dằn và cân bằng tàu, cứu hỏa….).
- Các hệ thống điều khiển, kiểm tra và bảo vệ tự động từ xa của thiết bị tuabin
khí và các TBNL phụ, các máy móc và thiết bị của hệ thống chung toàn tàu.
- 15 -
Trong TBNL tuabin khí tàu thủy thì thiết bị tuabin khí là bộ phận cốt lõi, mang
tính chất đặc trưng riêng cho loại TBNL tuabin khí tàu thủy. Chính vì thế, trong quá
trình tìm hiểu, nghiên cứu về TBNL tuabin khí tàu thủy, phần lớn tập trung tìm hiểu
và nghiên cứu thiết bị tuabin khí.
2.1.3. Phân loại TBNL tuabin khí tàu thủy.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy là bộ phận cốt lõi trong TBNL tuabin khí tàu thủy,

Thiết bị tuabin tàu thủy khí một cấp.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy nhiều cấp.
- Dựa theo hướng dòng:
Thiết bị tuabin khí tàu thủy dọc trục.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy hướng kính.
- Dựa theo hình dạng của rôto tuabin khí có thể chia thành:
Thiết bị tuabin khí tàu thủy rôto có đĩa.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy rôto tang trống.
- Dựa theo công dụng có thể phân ra:
Thiết bị tuabin khí tàu thủy tàu thuỷ.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy máy bay.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy máy phát điện.
Sự phân loại thiết bị tuabin khí tàu thủy quyết định bởi những phần tử cấu trúc
được sử dụng và cách bố trí các phần tử cơ bản của thiết bị tuabin khí. Trong đó có
phản ánh những kinh nghiệm và khả năng của các hãng chế tạo.
2.2. Lịch sử phát triển thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy.
Lịch sử phát triển của thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy gắn liền với sự
hình thành và phát triển của thiết bị tuabin khí. Lịch sử phát triển của thiết bị tuabin
khí ở những thời kỳ đầu có liên quan đến việc tìm kiếm chu trình thích hợp và trong
phạm vi giới hạn của vật liệu chế tạo cũng như mức phát triển thấp của khí động
học. Từ cuối thế kỷ XVIII, hàng loạt các đề án thiết kế về thiết bị tuabin khí được ra
đời. Nhưng do trình độ kỹ thuật lúc này còn thấp, nên các đồ án không thực hiện
thành công.
Vào năm 1872, kỹ sư người Đức tên là Stol đã nhận được bằng phát minh về
thiết bị tuabin khí và thiết kế thiết bị tuabin khí. Đến đầu thế kỷ sau (1900 – 1904)
- 17 -
đồ án của ông được đưa vào chế tạo và chạy thử thiết bị tuabin khí này có đầy đủ tất


- 18 -
chiến, các hạm tàu và đã loại động cơ piston ra khỏi các tàu chiến và máy bay chiến
đấu. Đồng thời, thiết bị tuabin khí ứng dụng rộng ra lĩnh vực dân sự như: máy phát
điện…
Sự phát triển về khí động học, phần truyền dòng khí của máy nén và của
tuabin khí, của thiết bị đốt và vật liệu chế tạo. Tất cả những vấn đề trên đã thúc đẩy
và tập hợp nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác như lĩnh vực của các tàu có công
suất lớn, máy quay có cánh quạt trong công nghiệp, giao thông vận tải… ngày càng
phát triển và xích lại gần nhau hơn.
Ngày nay, thiết bị năng lượng tuabin khí tàu thủy được sử dụng rộng rãi. Nó
đang thay thế dần thiết bị năng lượng diesel tàu thủy trên các tàu công suất lớn,
trọng tải lớn và đặc biệt trong các tàu phục vụ cho quốc phòng.
2.3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị tuabin khí tàu thủy.
2.3.1. Sơ đồ cấu tạo.
Thiết bị tuabin khí tàu thủy là một loại thiết bị nhiệt có kỹ thuật cao, bao gồm
nhiều chi tiết và hệ thống phức tạp, đòi hỏi công nghệ chế tạo tiên tiến. Hơn nữa,
tùy theo yêu cầu sử dụng của thiết bị năng lượng tua bin khí mà có cấu tạo khác
nhau. Chính vì thế, xin đưa ra một sơ đồ đơn giản của thiết bị tuabin khí tàu thủy.

Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo thiết bị tuabin khí tàu thủy.

Tại thời điểm khởi động, sau khi nhiên liệu và không khí đã được hoà trộn
trong BĐ, buji sẽ đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp này. Sau đó hỗn hợp nhiên liệu +
không khí tự duy trì sự cháy sau khi buji ngừng đánh lửa. Sản phẩm cháy có nhiệt
5
7

1 6
2 8
3
4
a
b c
7
Hình 2.2. Sơ đồ đơn giản của một TBNL tuabin khí.
1- Cửa nạp. 2- Máy nén khí. 3- Buồng đốt. 4- Vòi phun.
5- Tua bin. 6- Cửa thải. 7- Bích nối với tải (chân vịt).
8
-
Bích
n
ối với máy công tác (chân vịt).

- 20 -
độ phù hợp đi tiếp vào tuabin (TB) (5). Trước tiên khí công tác đi qua thiết bị phun
(TBP) của TB (để tăng tốc và thay đổi hướng cho phù hợp với góc đặt cánh công
tác) rồi đi vào bánh công tác (BCT) của TB. Khi đi qua rãnh cánh công tác của TB,
động năng của khí công tác biến thành công cơ khí để quay BCT sau đó thoát ra


1
2
3
4
p
v
1
2
3
4
T
S
Hình 2.4. Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp.
1-2: Là quá trình nén đẳng Entrôpi. 2-3: Là quá trình cấp
3

2

1

Hình 2.3. Sơ đồ cấu tạo thiết
bị tuabin khí tàu thủy không
- 21 -
2.4.1.2.Công lý thuyết của chu trình (công riêng).
lt
i

T
T
TCTTCiil
pp
lt
tb
pp
lt
mn



)1()1(
1
2
1
3
4
3

T
T
TC
T
T
TCl
pp
lt
i


3
4
1
1
2
1
2

















Trong đó: 
1
2
p
p


i
TCl

(KJ/Kg) .
2.4.1.3. Hiệu suất nhiệt của chu trình.
η
t
: Hiệu suất nhiệt của chu trình.
Ta có:
1
2
1
21
1
q
q
q
qq
t





Trong đó: q
1
:

Là nhiệt lượng cấp vào.


p
T
1
)(
1
1
2
1
3
m
p
TC
T
T
T
T











(KJ/Kg)
Ta thay thế và biến đổi sẽ được:


k
m
k




)/1(1
)1)(/1(1



m
k
m
k
m
k
t




(1)
Từ biểu thức (1) ta thấy khi tăng tỷ số tăng áp suất của khí nén trong máy
nén, làm cho hiệu suất nhiệt của chu trình lý thuyết tăng.
Khi p

2.4.1.4. Nhận xét.
Từ các các công thức trên ta nhận thấy: Biện pháp nâng cao hiệu suất của
thiết bị tuabin khí tàu thủy là nâng cao nhiệt độ T
2
truớc tuabin, T
2
càng cao bao
nhiêu thì hiệu suất 
t
càng tăng bấy nhiêu. Điều này đúng cho sơ đồ bất kỳ của thiết



k


k

th


max



chế quá trình rỉ ở nhiệt độ cao cần giảm nhiệt độ trước tuabin T
2
xuống 920
0
K.
Điều này tất nhiên là làm giảm hiệu suất của thiết bị.
2.4.2. Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp có hoàn nhiệt.
Một phương tiện nổi bật để nâng cao hiệu suất là bộ trao đổi nhiệt, trong đó
một phần nhiệt của khí thải được truyền cho không khí nén trước khi vào buồng đốt.
Nhờ vậy, nhiệt lượng cần cấp cho chu trình giảm xuống, η
t
tăng lên. Sơ đồ được vẽ
trên hình 2.6.

Chu trình cấp nhiệt đẳng áp có hoàn nhiệt là một chu trình được sử dụng
nhiều trên thiết bị tuabin khí tàu thủy. Sơ đồ chu trình đựợc vẽ trên hình 2.7.

4

Không khí được sấy nóng đi vào buồng đốt (4), rồi sinh công trong tuabin (2).
q
N
= (T
2’
– T
2
): Phần nhiệt tận dụng được của khí thải để sấy nóng không khí.
q
max
= C
p
( T
4
- T
2’
): Là phần nhiệt lớn nhất mà khí thải ra khỏi tuabin có thể
tận dụng được để sấy nóng không khí.
Nếu ký hiệu:
max
q
q
R
N
T
 : Được gọi là độ hoàn nhiệt.
Hay ta có:
'24
2'2
TT

1






























nhiệt.
1
-
2
: Quá trình nén.
2
-
2
’
: Q
uá trình nh
ận
nhi
ệt từ khí thải
- 25 -
Trong đó:
1
3
T
T


là tỷ số giữa nhiệt độ cao nhất và nhiệt độ thấp nhất của chu trình.
Nhận xét : Đối với thiết bị tuabin khí tàu thủy thường sử dụng bộ phận hoàn
nhiệt để tăng công suất cho thiết bị. Nhưng khi trang bị bộ phận này quan tâm : Đối
với những thiết bị tuabin khí tàu thủy có bộ hoàn nhiệt có R < 0,5 ảnh hưởng của
hoàn nhiệt đến hiệu suất của thiết bị tuabin khí ít hiệu quả. Giá trị R thực tế được