Th9
Nguyên lý cấu tạo
Máy nén khí kiểu động lực Turbo hướng tâm
Máy nén khí lý tâm dựa tên nguyên lý nén động lực có tuabin thiết kế hướng tâm, tên tiếng anh “Centrifugal compressors“, tên thường gọi máy nén turbo tức tên gọi của máy nén cánh tuabin (turbo) kiểu động lực có thiết kế hướng tâm.
Nguyên lý nén động lực có đặc tính tạo ra khí nén có áp suất không đổi, nhưng hiệu suất nén lại thay đổi theo yếu tố bên ngoài như nhiệt độ môi trường thay đổi. Nguyên lý nén này khác biệt hoàn toàn với công nghệ máy nén thể tích thường gặp như piston, trục vít làm việc với lưu lượng không đổi.
Nguyên lý hoạt động máy nén khí ly tâm
Máy nén khí lý tâm hoạt động trên nguyên lý động lực, tức chuyển động năng của dòng khí nén thành thế năng (khí nén áp suất cao).
Bạn có thể hiểu đơn giản cánh tuabin quay tốc độ cực cao hút không khí vào tâm, lực ly tâm làm dòng khí di chuyển với tốc độ cao (động năng) dòng khí nén tốc độ cao này gặp thành vỏ tubo bị dồn nén tạo thành khí nén có áp suất cao.
Tất nhiên 01 cấp tuabin không thể tăng áp dòng khí từ áp suất khí quyển đạt ngưỡng áp suất cần để sử dụng 7bar hay 10bar một máy nén ly tâm thông thường cần dùng 2 đến 4 tầng nén nối tiếp nhau để đạt được áp suất làm việc đó.
Tốc độ quay cánh tuabin là chìa khóa gia tăng tỉ số nén/lưu lượng. Cánh turbo có thể hoạt động ở tốc độ thấp ~ 3.000 vòng / phút để cho tỉ số nén thấp nhưng đạt lưu lượng cao.
Ngược lại, với máy nén thiết kế cần tỉ số nén cao/lưu lượng thấp, cánh tuarbin có thể hoạt động ở tốc độ lên đến 30.000 vòng / phút.
Với động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc tương tự trong tương lai có thể bạn sẽ thấy máy nén ly tâm nhỏ gọn và phổ dải công suất trung bình có thể dùng trong nhà máy phổ thông. Công nghệ nén ly tâm hiện tại chỉ tối ưu với máy có công suất từ 400 kW đến hơn 40 MW.
Bên cạnh tốc độ thì ma sát dòng chảy khí nén động năng cao cũng ảnh hưởng đến hiệu suất nén, nên công nghệ nén này tối ưu cho hệ thống cần lượng khí nén siêu lớn với đường ống và vỏ tuabin lớn có độ sụt áp thấp.
Do chưa có bộ từ điển kĩ thuật chuẩn nên một số tài liệu mô tả cánh tuabin là đĩa quay hay cánh quạt, tuốc bin, turbine bạn đều có thể hiểu chúng là một. Huy đã tra từ điển cùng wiki và thấy cách gọi turbo là hợp lý hơn cả.
Cấu tạo máy nén khí ly tâm
Một máy nén khí turbo cần có 07 bộ phận chính sau:
① Cánh tuabin
Trái tim của máy nén ly tâm chính là cánh tuabin được làm từ vật liệu cứng thông thường là Titan. Cánh và trục turbo quay với tốc độ cao nên chúng được gia công với độ chính xác cao tương đương trình độ sản xuất tuarbin động cơ máy bay. Hệ được cân bằng động trọng lượng sai lệch nhỏ hơn 5ml gam xắp xỉ trọng lượng hạt vừng
② Vỏ cánh turbo (housing or casing)
Là bộ phận tĩnh bao bọc bên ngoài cánh tuabin, vỏ kết hợp với cánh giúp tạo ra khí nén. Vỏ thường được làm bằng gang có khả năng chịu mài mòn cao. Áp lực lớn nhất của vỏ chính là nhiệt và ma sát của dòng khí tốc độ cao va đập vào bề mặt vỏ. Đây cũng là lý giải cho hiện turbo bị nóng đỏ trong một số trường hợp máy hoạt động. Lượng nhiệt này hoàn toàn phát sinh từ ma sát của dòng khí với vỏ tuabin.
③ Ổ đỡ thủy lực (vòng bi)
Tài liệu một số hãng gọi là ổ đỡ, còn lại gọi đây là Hydrodynamic thrust bearing, tức ô chặn thủy động lực học. Tải trọng của trục tuarbin được nâng và bôi trơn hoàn toàn bằng màng dầu thủy lực nhẹ, chúng không phải kết cấu vòng bi ổ lăn như thường thấy. Nếu bạn làm trong ngành xi măng, thủy điện, thủy lực bạn sẽ không xa lạ với loại gối đỡ thủy lực tự lựa (pivoted shoe thrust bearings) chế tạo theo lý thuyết của Osborne Reynolds những năm 1880.
④ Phớt chắn dầu, khí
Máy sử dụng hai hệ thống phớt gồm phớt chắn dầu cho trục quay turbor và phớt chặn khí khô thoát khỏi vỏ cánh tuabin. Bạn có thể tham khảo thêm những chủng loại phớt thường dùng với tuabin như Shaft seals, Internal seals, Labyrinth seals, Dry gas seals, Liquified film seals. Á Châu có cung cấp tại mục phớt máy nén khí tại trang này.
⑤Trung tâm điều khiển thông minh
Yếu tố then chốt giúp khống chế máy nén ly tâm hoạt động ổn định và có khả năng tạo ra áp suất đáp ứng yêu cầu xử dụng. Với bản chất của công nghệ nén turbo tỉ số nén/lưu lượng là hàm tuyến tính thay đổi phụ thuộc yếu tố môi trường.
Bắt buộc mọi máy nén khí ly tâm đều cần bộ điều khiển thông minh có thể kết hợp nhuần nhuyễn với van cổ hút điều chỉnh lưu lượng khí nạp giao động 60~105%. Cũng như kết hợp hệ thống van chức năng, hệ thống giám sát khác bảo vệ máy nén.
⑥Van khí nạp có thể điều chỉnh
Van cổ hút máy turbo thường là van điện hoặc khí nén có khả năng mở một phần hoặc toàn phần cổ hút, nhằm kiểm soát lượng khí nạp từ 60~105% công suất hoạt động.
⑦ Thiết bị giám sát
Chức năng giám sát độ rung, độ ồn, quá áp, thấp áp, Surge… Với tốc độ quay tuabin cao mọi sai sót nhỏ đều dẫn đến hậu quả nghiêm trọng đặc biệt vấn đề bôi trơn và mất cân bằng động.
Bên cạnh 7 thành phần quan trọng máy còn có linh kiện bổ trợ khác như: Bánh răng, bơm dầu, affter cooler, Antisurge valves, Suction throttle valves, Flare valve, Shutdown valve, Blowdown valve, Discharge check valve, Relief valve, Purge valve, Discharge coolers… Huy giữ nguyên tên tiếng anh để bạn tiện tra cứu thêm.
Bên dưới là video giới thiệu công nghệ nén turbo và vài điều chia sẻ của Huy. Bạn cũng có thể tải manual theo hãng máy nén để có thêm sơ đồ điện hay chi tiết partnumber linh kiện cho model máy cụ thể.
Ưu nhược điểm công nghệ nén động lực
Ưu điểm: Máy nén ly tâm cung cấp công suất dòng chảy cao trên một đơn vị không gian và trọng lượng được lắp đặt, có độ tin cậy tốt và yêu cầu bảo trì ít hơn đáng kể so với máy nén pittông.
Nhược điểm: Đặc tính hiệu suất của máy nén ly tâm dễ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của điều kiện không khí hơn là hiệu suất của máy nén pittông. Đường đặc tính hiệu suất điều khiển công suất bằng cách thay đổi tốc độ, điều tiết cổ hút hoặc cánh gạt dẫn hướng đầu vào thay đổi rất phức tạp.
Công nghệ chế tạo tuabin, độ chính xác cao, việc sửa chữa bảo dưỡng, thay thế phụ tùng thường quá sức với hầu hết công ty dịch vụ máy nén khí tại Việt Nam.
