Tóm tắt: Động cơ dùng để đẩy tàu gọi là động cơ đẩy chính (còn gọi là “động cơ chính”), đóng vai trò quyết định đến hiệu suất của toàn bộ nhà máy điện trên biển. Các loại nhà máy điện trên biển thường được phân chia theo các động cơ chính khác nhau. Các động cơ chính của tàu thủy hiện đại chủ yếu bao gồm động cơ diesel, tua bin hơi, tua bin khí và nhà máy điện hạt nhân. Hiện nay, hầu hết các tàu dân dụng và một số tàu quân sự vừa và nhỏ đều sử dụng động cơ diesel; tàu lớn và vừa chủ yếu sử dụng tua bin hơi hoặc tua bin khí; nhà máy điện kết hợp có thể đáp ứng nhu cầu của tàu nổi trong các điều kiện hàng hải khác nhau; nhà máy điện hạt nhân có thể cải thiện đáng kể sức bền và khả năng tự cung tự cấp của tàu, nhưng chúng cần sử dụng các thiết bị che chắn, nặng và có kết cấu phức tạp. Chúng phù hợp với tàu sân bay lớn, tàu ngầm cỡ lớn và vừa, tàu phá băng và một số tàu dân dụng lớn. Tàu ngầm cỡ vừa và nhỏ có thể sử dụng động cơ diesel để dẫn động máy phát điện tạo ra điện và đẩy tàu ngầm tiến về phía trước bằng hệ thống đẩy điện. Việc nghiên cứu các nhà máy điện trên biển giúp nắm bắt nhanh chóng các loại, cấu trúc, đặc tính kỹ thuật, cách sử dụng và quản lý, qua đó cải thiện hiệu quả ứng dụng thực tế của chúng trong quá trình điều hướng tàu và cải thiện hiệu suất công suất chung của tàu.
Từ khóa: động cơ diesel; tua bin khí; tua bin hơi; tổ hợp điện; năng lượng hạt nhân; tàu sân bay; hệ thống đẩy điện

Vào đầu thế kỷ 19, động cơ hơi nước đã được sử dụng thành công trên tàu nội địa “Clermont” làm động lực đẩy chính cho toàn bộ con tàu, đánh dấu sự hình thành khái niệm “bộ nguồn” cho tàu. Ý nghĩa ban đầu của bộ nguồn là một tập hợp các máy móc, thiết bị và hệ thống thay thế sức người hoặc sức gió để cung cấp động lực đẩy cho các loại tàu khác nhau. Trong những năm qua, với sự phát triển và tối ưu hóa liên tục của công nghệ tàu, hiệu suất của các bộ nguồn liên quan cũng đã dần được cải thiện.

1 Tổng quan về các đơn vị năng lượng biển
Trong các đơn vị năng lượng hàng hải, động cơ cung cấp nguồn năng lượng cho tàu thuyền ra khơi được gọi là động cơ đẩy chính, còn được gọi là động cơ chính của tàu. Động cơ chính chuyển đổi năng lượng nhiệt từ nhiều nguồn khác nhau thành công cơ học, do đó cung cấp năng lượng cần thiết cho việc điều hướng cho nhiều loại tàu khác nhau. Các đơn vị năng lượng được chia thành một số loại theo các loại cụ thể, chủ yếu bao gồm động cơ diesel, tua bin hơi nước, tua bin khí, các đơn vị năng lượng kết hợp và các đơn vị năng lượng hạt nhân.

Động cơ chính của tàu phải cố gắng đảm bảo an toàn và đáng tin cậy, có đủ sức sống, dễ sử dụng, linh hoạt, trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, chi phí thấp, tiêu thụ nhiên liệu thấp, dễ bảo trì và tuổi thọ cao, có khả năng đảo chiều và có thể chạy ổn định ở tốc độ thấp hoặc tốc độ hành trình, để đảm bảo các hiệu suất khác nhau của tàu được tối đa hóa. Tầm quan trọng tương đối của các đặc điểm này thay đổi theo các nhiệm vụ khác nhau của tàu và độ tin cậy là quan trọng nhất.

Như đã đề cập ở trên, động cơ chính của tàu là thiết bị cốt lõi trong nhà máy điện. Việc lựa chọn loại động cơ chính quyết định thành phần cấu trúc và đặc điểm hiệu suất của toàn bộ nhà máy điện hàng hải nói chung. Do đó, việc phân loại nhà máy điện hàng hải chủ yếu dựa trên loại động cơ chính. Tình trạng làm việc của động cơ chính ảnh hưởng trực tiếp đến việc điều hướng bình thường và an toàn của toàn bộ tàu, và cần đặc biệt chú ý khi lựa chọn, thiết kế và chế tạo.

2 Đặc điểm kỹ thuật và tổng quan phát triển của động cơ diesel hàng hải

2.1 Tổng quan về động cơ diesel hàng hải

Động cơ diesel là loại động cơ đốt trong thông dụng. Vì không cần trang bị thêm các thiết bị khác như nồi hơi nên độ dự phòng của hệ thống được giảm đi. Hiện nay, chúng được sử dụng rộng rãi trên nhiều loại tàu khác nhau. Tuy nhiên, do động cơ diesel chuyển động qua lại nên độ mài mòn, độ rung và tiếng ồn tương đối lớn. Đặc biệt, việc tăng công suất động cơ diesel bị hạn chế bởi thiết bị gia công, công nghệ, vật liệu, thể tích và trọng lượng nên rất khó để tăng thêm công suất của một động cơ duy nhất.

Trong số các động cơ diesel, động cơ diesel tốc độ thấp có tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất và có thể đốt cháy diesel nặng kém chất lượng, do đó chi phí nhiên liệu thấp. Do tốc độ thấp và hao mòn nhỏ của động cơ diesel tốc độ thấp, tuổi thọ dài và chi phí bảo dưỡng thấp. Tuy nhiên, trọng lượng và kích thước của động cơ diesel tốc độ thấp lớn, chúng chiếm nhiều không gian cabin và dung tích hơn, đây là nhược điểm của chúng. Loại động cơ này chủ yếu được sử dụng làm động cơ chính của tàu lớn.

Động cơ diesel tốc độ cao có trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ, chiếm ít không gian cabin và dung tích. Tuy nhiên, động cơ diesel tốc độ cao có mức tiêu thụ nhiên liệu cao và cần sử dụng dầu diesel nhẹ chất lượng cao, do đó chi phí nhiên liệu tương đối cao. Đồng thời, do động cơ diesel tốc độ cao nên máy móc bị mòn nhiều hơn, tuổi thọ ngắn, chi phí bảo dưỡng cao và tiếng ồn cũng lớn. Loại động cơ này chủ yếu được sử dụng làm động cơ chính của tàu nhỏ hoặc động cơ phụ của tàu cỡ lớn và vừa. Hiệu suất của động cơ diesel tốc độ trung bình nằm giữa hai loại trên và chúng thường được sử dụng trên tàu cỡ trung bình. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, vì động cơ diesel tốc độ trung bình cũng có thể đốt dầu nặng và mức tiêu thụ nhiên liệu gần bằng động cơ diesel tốc độ thấp, với sự phát triển của công nghệ hộp số giảm tốc, một số động cơ diesel công suất cao tốc độ trung bình cũng đã được sử dụng trên tàu lớn.

2.2 Các đặc điểm kỹ thuật chính của động cơ diesel tàu thủy

Nhìn chung, những ưu điểm về mặt kỹ thuật của động cơ diesel chủ yếu nằm ở những khía cạnh sau.

1) Kinh tế tốt. Động cơ diesel có tính kinh tế cao trong nhiều điều kiện vận hành. Đồng thời, động cơ diesel tốc độ thấp cũng có thể đốt dầu nặng, giúp giảm đáng kể chi phí nhiên liệu. Tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu của động cơ chính của tàu là một yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả kinh tế của hoạt động tàu. Trong tình hình năng lượng hiện nay, tính kinh tế cao của động cơ diesel đảm bảo triển vọng ứng dụng tốt của nó.

2) Phạm vi công suất rộng. Phạm vi công suất và tốc độ của động cơ diesel hàng hải rất rộng và có thể cung cấp nhiều mẫu cho nhiều loại tàu khác nhau để lựa chọn. Động cơ diesel tốc độ thấp là mẫu mạnh nhất trong số các động cơ diesel. Sự phát triển công nghệ của chúng mang tính đại diện. Hiệu quả kinh tế, độ tin cậy và khả năng cơ động của chúng đã được cải thiện đáng kể trong những năm gần đây.

3) Khả năng cơ động tốt. Động cơ diesel khởi động nhanh, dễ vận hành và có khả năng đảo chiều nhạy. Công việc trước khi khởi động có thể hoàn thành trong khoảng 10 phút. Thời gian chuyển đổi từ khởi động nguội sang hoạt động đầy tải của động cơ chính thường không quá 10 phút và không quá 3 đến 4 phút trong trường hợp khẩn cấp. Việc đảo chiều động cơ chính thường có thể hoàn thành trong vòng vài giây. Khả năng cơ động của động cơ chính là một chỉ số hiệu suất kỹ thuật quan trọng, đặc biệt quan trọng đối với tàu nổi. Nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phản ứng toàn diện và hiệu suất kỹ thuật của toàn bộ tàu. Trong thời đại ngày nay, vũ khí hiệu suất cao đại diện là tên lửa đã được phát triển đầy đủ và gây ra mối đe dọa lớn đối với tàu nổi. Do đó, việc rút ngắn thời gian chuẩn bị, nhanh chóng tham gia chiến đấu và rời khỏi vùng nguy hiểm kịp thời có ý nghĩa rất lớn đối với tàu nổi.

4) Lượng khí tiêu thụ thấp, không gian chiếm dụng của ống dẫn khí vào và ống xả nhỏ, dễ bố trí hơn, khả năng làm việc độc lập và khả năng chống va đập tốt hơn.

5) Động cơ diesel tốc độ thấp có thể dẫn động trực tiếp chân vịt, và bằng cách áp dụng tốc độ thấp hơn, có thể tránh được hiện tượng sủi bọt chân vịt, do đó cải thiện hiệu suất đẩy của chân vịt. Tính năng này không chỉ cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng tổng thể mà còn không cần thiết bị giảm tốc, đơn giản hóa thiết bị truyền động và tiết kiệm chi phí đầu tư xây dựng và bảo trì trong quá trình đóng tàu.

6) Khả năng thích ứng môi trường mạnh mẽ. Động cơ diesel có thể tiếp tục hoạt động dưới tác động của áp suất ngược cao liên tục và chân không lớn, và sự suy giảm công suất không đáng kể. Ngoài ra, động cơ diesel cũng có thể được chế tạo thành các đơn vị từ tính thấp để đáp ứng các yêu cầu đặc biệt của tàu nổi như tàu quét mìn.

7) Động cơ diesel vừa và nhỏ có trọng lượng nhẹ, chiếm ít không gian hơn và có ít thiết bị phụ trợ hơn. Một trong những yêu cầu kỹ thuật chính đối với các tổ máy điện trên biển là trọng lượng nhẹ để giảm lượng dịch chuyển mà tổ máy chiếm dụng, có thể tăng tải trọng tịnh của tàu hoặc cải thiện tốc độ và độ bền của tàu. Đối với tàu vừa và nhỏ, không gian phòng máy tương đối hẹp. Ngoài yêu cầu tổ máy phải nhẹ, nó còn đặc biệt yêu cầu kích thước nhỏ gọn và thể tích nhỏ. Trọng lượng và thể tích của bản thân tổ máy phụ thuộc phần lớn vào động cơ chính và các thiết bị phụ trợ cần thiết. Với sự phát triển của công nghệ áp suất cao, công suất của động cơ diesel đã được cải thiện đáng kể trong khi trọng lượng và kích thước của động cơ diesel không thay đổi nhiều, và trọng lượng đơn vị của động cơ diesel tăng áp đã giảm hơn nữa. Động cơ diesel không cần phải trang bị các thiết bị phụ trợ lớn và các thiết bị phụ trợ cần thiết cũng ít hơn. Ưu điểm của động cơ diesel tốc độ trung bình và cao về mặt này đặc biệt nổi bật. Đây cũng là một lý do quan trọng tại sao các tàu vừa và nhỏ thường sử dụng động cơ diesel.

Hiện nay, nhược điểm kỹ thuật của động cơ diesel chủ yếu nằm ở các khía cạnh sau.

1) Công suất đơn của động cơ diesel tốc độ trung bình và cao tương đối nhỏ.

2) Mặc dù công suất của động cơ diesel tốc độ thấp tương đối lớn, nhưng khi công suất của toàn bộ máy tăng lên, thể tích và trọng lượng của loại đơn vị này sẽ tăng nhanh theo một tỷ lệ nhất định. Do đó, sẽ có những khó khăn nhất định trong việc thiết kế và chế tạo động cơ diesel tốc độ thấp có công suất cao hơn và tương ứng, các yêu cầu cao hơn được đưa ra đối với việc gia công, lắp ráp và vận chuyển các bộ phận. Trong quá trình giảm tải cơ học và nhiệt của vật liệu đơn vị, cũng sẽ gặp phải một số khó khăn nhất định. Chiều cao lớn của đơn vị cũng hạn chế việc ứng dụng của nó trên các tàu nổi lớn như tàu sân bay.

3) Không giống như các máy móc quay như tua bin hơi nước và tua bin khí, piston và các bộ phận khác của động cơ diesel tiếp tục chuyển động qua lại chứ không chỉ đơn giản là quay, do đó sẽ tạo ra lực nhiễu loạn định kỳ. Do đó, động cơ diesel không chỉ có độ rung và tiếng ồn lớn mà còn có ma sát và mài mòn nghiêm trọng các bộ phận, và có tiếng ồn rung động phổ tần số thấp mạnh, rất bất lợi cho khả năng tàng hình và chống tàng hình của tàu nổi.

4) Tốc độ ổn định tối thiểu của động cơ diesel cao, dẫn đến diện tích làm việc ổn định của máy tương đối nhỏ.

2.3 Tổng quan về sự phát triển kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy

Như đã mô tả trong mục 2.2 của bài viết này, những ưu điểm quan trọng của động cơ diesel là hiệu suất nhiệt cao, tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu thấp, tính kinh tế tổng thể tốt, phạm vi công suất lớn, khả năng ứng dụng rộng rãi, ít thiết bị phụ trợ và tổng trọng lượng nhẹ. Những khuyết điểm chính của động cơ diesel là tiếng ồn, độ rung và tổn thất ma sát lớn. Các tàu dân dụng lớn chủ yếu sử dụng động cơ diesel tốc độ thấp làm động cơ chính. Loại động cơ này có độ tin cậy cao, chi phí bảo dưỡng thấp và có thể dẫn động trực tiếp chân vịt. Các tàu quân sự vừa và nhỏ chủ yếu sử dụng động cơ diesel tốc độ trung bình và cao làm động cơ chính để giảm kích thước và trọng lượng của thiết bị.

Những năm gần đây, cùng với sự gia tăng trọng tải của tàu, để tăng công suất của động cơ diesel, động cơ diesel tốc độ thấp đang phát triển theo hướng tăng đường kính xi lanh và tăng áp, có thể đáp ứng yêu cầu của hệ thống đẩy tàu công suất cao và có thể dẫn động chân vịt thông qua các thiết bị giảm tốc độ. Đặc biệt là trong các loại tàu thủy nội địa khác nhau, động cơ diesel có ưu thế tuyệt đối và gần như trở thành loại công suất duy nhất.

Trong những năm gần đây, cách tiết kiệm năng lượng đã trở thành chủ đề nghiên cứu chính trong và ngoài nước. Hiện nay, các công trình nghiên cứu có liên quan đang được tiến hành để đạt được mức hiệu suất nhiệt cao hơn của động cơ diesel hàng hải. Ngoài việc cải thiện hệ thống đốt, hệ thống phun và hệ thống tăng áp, giảm tổn thất ma sát và tổn thất rò rỉ không khí, các nghiên cứu cũng đang được tiến hành để giảm tổn thất làm mát, chẳng hạn như tận dụng tối đa năng lượng khí thải và lắp đặt tua bin công suất sau bộ tăng áp khí thải để tận dụng tối đa năng lượng của khí thải. Hiện nay, vẫn còn rất nhiều công trình nghiên cứu và phát triển cần được thực hiện trên động cơ diesel hàng hải.

Trong những năm gần đây, công nghệ động cơ diesel hàng hải đã phát triển nhanh chóng, chủ yếu thể hiện ở các khía cạnh sau.

1) Động cơ diesel công suất cao thường sử dụng công nghệ tăng áp cao và dần cải thiện hiệu suất của các đơn vị trong điều kiện làm việc thấp.

2) Áp dụng công nghệ thiết kế mô-đun và sản xuất có độ tin cậy cao.

3) Động cơ diesel tốc độ trung bình và thấp sử dụng các công nghệ liên quan để đốt cháy hoàn toàn dầu nặng.

4) Áp dụng công nghệ điều khiển điện tử “thông minh” và công nghệ hệ thống nhiên liệu đường ống chung áp suất cao, cũng như các công nghệ phát thải thấp và các công nghệ liên quan khác.

Trong quá khứ, trong một thời gian dài, các tàu dân dụng với nhiều mục đích khác nhau thường sử dụng động cơ diesel làm động cơ, trong khi các tàu lớn chủ yếu sử dụng tua bin hơi. Trong những năm gần đây, với sự cải tiến của công nghệ đốt dầu nặng của động cơ diesel, công suất của động cơ diesel tốc độ thấp đã được cải thiện đáng kể. Ngay cả trên các tàu lớn, động cơ diesel có xu hướng dần thay thế tua bin hơi. Trên các tàu nội địa, do những hạn chế về điều kiện khách quan như độ sâu luồng và trọng tải tàu, hầu hết các tàu nội địa đều sử dụng động cơ diesel tốc độ trung bình và cao làm động cơ chính.

3 Đặc điểm kỹ thuật và tổng quan phát triển của tua bin hơi nước biển

3.1 Tổng quan về tua bin hơi nước biển

Tua bin hơi là một loại máy móc tua bin nhiệt sử dụng sự giãn nở của hơi nước để chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng cơ học. Trong số đó, nồi hơi, thân tua bin hơi, bình ngưng và bơm cấp là những thiết bị tương đối quan trọng.

Giống như động cơ hơi nước, tua bin hơi nước là thiết bị điện chuyển đổi năng lượng nhiệt hơi nước thành công cơ học. Sự khác biệt giữa hai loại này là ở tua bin hơi nước, năng lượng nhiệt của hơi nước được chuyển đổi thành động năng hơi nước, và phần động năng này sau đó được chuyển đổi thành công cơ học và truyền đến trục tua bin. Về quy trình hoạt động của nó, hơi nước áp suất cao từ nồi hơi đi vào vòi phun cố định và hơi nước giãn nở trong vòi phun. Khi giãn nở, áp suất của hơi nước giảm và lưu lượng hơi nước tăng theo. Luồng hơi nước tốc độ cao tác động vào các cánh được lắp trên thanh dẫn, khiến thanh dẫn quay.

3.2 Các đặc điểm kỹ thuật chính của tua bin hơi nước biển

Nhìn chung, tua bin hơi có những ưu điểm kỹ thuật sau.

1) Là động cơ nhiệt có công suất đơn vị cao nhất, có thể đáp ứng hiệu quả nhu cầu công suất của tàu mặt nước cỡ lớn.

2) Có độ tin cậy cao và tuổi thọ dài, tuổi thọ sử dụng hiệu quả có thể đạt tới hơn 100,000 giờ, quy trình vận hành, bảo trì và bảo dưỡng tương đối đơn giản.

3) Thiết bị có độ rung, ma sát và tiếng ồn thấp, có thể mang lại môi trường yên tĩnh và thoải mái hơn cho nhân viên trên tàu.

4) Có khả năng thích ứng nhiên liệu tốt và có thể sử dụng nhiên liệu kém chất lượng, do đó cải thiện hiệu suất kinh tế.

Nhưng đồng thời, tua bin hơi nước cũng có những nhược điểm sau.

1) Quá trình chuyển đổi năng lượng phức tạp và tính kinh tế kém. Trong quá trình truyền năng lượng, năng lượng nhiệt sẽ bị mất trong nồi hơi, đường ống, van, máy bơm và các thiết bị khác, đặc biệt là trong bình ngưng tụ, do đó hiệu suất nhiệt của tổ máy tương đối thấp. Đối với tua bin hơi sử dụng chu trình đơn giản, tính kinh tế của chúng kém, không tốt bằng động cơ diesel hoặc tua bin khí. Nguyên nhân chính là nhiệt độ ban đầu của chất lỏng làm việc thấp và một lượng lớn năng lượng nhiệt sẽ bị nước làm mát của bình ngưng tụ lấy đi, do đó hiệu suất chu trình thấp hơn so với hai loại động cơ chính khác.

2) Cấu tạo hệ thống phức tạp. Tua bin hơi sử dụng hơi nước làm chất lỏng làm việc, phải trang bị nồi hơi, bình ngưng tụ, máy bơm và các thiết bị phụ trợ khác hoặc trang bị lò phản ứng hạt nhân và các hệ thống liên quan để thu được hơi nước nhiệt độ cao. Do đó, chỉ số trọng lượng của tua bin hơi nước lớn hơn so với động cơ diesel tốc độ trung bình, động cơ diesel tốc độ cao và tua bin khí. Và chịu ảnh hưởng của quá trình chuẩn bị hơi nước, khả năng cơ động của tua bin hơi nước cũng không tốt bằng các đơn vị trên.

3) Do tốc độ cao nên tua bin hơi cần được trang bị thiết bị giảm tốc, điều này làm tăng thêm trọng lượng của tổ máy, làm phức tạp thêm cấu tạo hệ thống, tăng chi phí thiết kế và chế tạo, giảm độ tin cậy của hệ thống.

3.3 Tổng quan về sự phát triển kỹ thuật của tua bin hơi nước biển

Vì tua bin hơi quay nên chúng hoạt động trơn tru, độ rung và tiếng ồn thấp, ít ma sát và mài mòn, tuổi thọ cao, đặc biệt phù hợp với tàu chở khách. Tua bin hơi dễ bảo trì và có độ tin cậy cao. Chúng có thể hoạt động trong điều kiện tải trọng đầy đủ trong thời gian dài, có khả năng quá tải mạnh và thích ứng với môi trường hơn. Tua bin hơi có công suất cao, có thể đốt dầu nặng hoặc khí thiên nhiên hóa lỏng và nhỏ hơn động cơ hơi nước về trọng lượng và thể tích. Tuy nhiên, quá trình chuyển đổi năng lượng của tua bin hơi phức tạp hơn, hiệu suất nhiệt thấp, tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu cao và tính kinh tế kém. Hiện nay, chúng chủ yếu được sử dụng trên tàu chở dầu trọng tải lớn, tàu container và tàu chở khí thiên nhiên hóa lỏng.

Vì tua bin hơi chỉ có thể quay theo một hướng. Để có được công suất quay ngược, một tầng đảo ngược thường được lắp trên trục của xi lanh áp suất thấp của tua bin hơi hướng về phía trước. Tầng đảo ngược thường không có nhiều hơn ba hàng cánh quay, hoặc có thể chỉ có hai hàng, và công suất mà nó tạo ra bằng khoảng 40% công suất hướng về phía trước. Trong quá trình vận hành bình thường của tua bin hơi, tầng đảo ngược ở trạng thái đảo ngược, vì vậy nó thường được lắp ở đầu áp suất thấp của tua bin hơi áp suất thấp. Mật độ hơi của bộ phận này thấp, vì vậy tổn thất điện trở khí do tua bin hơi hướng về phía trước tạo ra cũng thấp.

Năm 1896, Vương quốc Anh đã sử dụng thành công tua bin hơi nước làm động cơ chính của tàu và tốc độ thử nghiệm có thể đạt tới 34.5 kn (knot). Kể từ đó, tua bin hơi nước đã được sử dụng rộng rãi trên các tàu công suất lớn. Tua bin hơi nước ban đầu được sử dụng trực tiếp để dẫn động chân vịt và không sử dụng hộp số giảm tốc. Để chân vịt hoạt động ở tốc độ lý tưởng, một hộp số giảm tốc đã được thêm vào tua bin hơi nước để cả tua bin hơi nước và chân vịt có thể hoạt động ở tốc độ tối ưu tương ứng của chúng. Đến năm 1916, hầu hết tất cả các tua bin hơi nước trên biển đều sử dụng hộp số giảm tốc và tỷ số giảm tốc đã tăng từ 1:20 ban đầu lên hơn 1:80. Sau khi áp dụng thiết bị giảm tốc, tua bin hơi nước có thể chạy ở tốc độ cao hơn, hiệu suất được cải thiện đáng kể, kích thước thân máy giảm tương ứng, toàn bộ thiết bị nhỏ gọn hơn, tổng trọng lượng giảm đáng kể và hiệu suất làm việc của chân vịt được cải thiện đáng kể, khiến tua bin hơi nước trở thành thiết bị điện hàng hải công suất cao lý tưởng. Nhiều tàu chở khách lớn, tàu chở dầu siêu lớn và tàu container tốc độ cao sử dụng tua bin hơi nước.

Trong một thời gian dài, do có lợi thế đáng kể về công suất đầu ra, tua bin hơi nước có triển vọng ứng dụng nhất định trên nhiều loại tàu lớn, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu mặt nước lớn. Tuy nhiên, do ngành sản xuất tua bin hơi nước của nước tôi khởi đầu muộn nên tỷ lệ tàu sử dụng tua bin hơi nước làm động cơ chính không cao. Với sự cải thiện của hệ thống ngành đóng tàu của nước tôi, vẫn được kỳ vọng sẽ phát triển đầy đủ. Hiện tại, có hai xu hướng chính trong sự phát triển của tua bin hơi nước trên biển ở giai đoạn này: một là cải thiện hiệu suất nhiệt của hệ thống, bằng cách tăng các thông số ban đầu của hơi nước và áp dụng các chu trình phức tạp, do đó cải thiện hiệu suất của động cơ chính và động cơ phụ; hai là sử dụng các thông số hơi nước thấp hơn và tăng lưu lượng hơi nước, để thân tua bin và nồi hơi có thể áp dụng hệ thống kết cấu đơn giản hơn, do đó đơn giản hóa quá trình quản lý và nâng cao độ tin cậy của thiết bị.

4 Đặc điểm kỹ thuật và tổng quan phát triển của tua bin khí biển

4.1 Tổng quan về tua bin khí biển

Kể từ khi ra đời, tua bin hơi nước và động cơ diesel đã được sử dụng rộng rãi. Như đã mô tả trong 2.2 và 3.2 của bài viết này, động cơ diesel là một loại động cơ đốt trong, trong đó nhiên liệu cháy bên trong xi lanh và có ưu điểm là khả năng cơ động tốt; tua bin hơi nước là một loại máy móc tua bin nhiệt và ưu điểm chính của chúng là có công suất đơn lớn. Tua bin khí kết hợp các ưu điểm của cả hai và là một loại động cơ nhiệt được phát triển chính thức vào giữa thế kỷ 20 sau hai loại này.

Giống như tua bin hơi, tua bin khí cũng là một loại máy tua bin nhiệt, chủ yếu bao gồm ba phần: máy nén, buồng đốt và tua bin. Trong số đó, tua bin chủ yếu bao gồm tua bin siêu tăng áp và tua bin công suất. Tua bin siêu tăng áp đồng trục với máy nén và tua bin công suất dẫn động chân vịt thông qua hệ thống trục, thường được gọi là tua bin khí trục kép. Máy nén, buồng đốt và tua bin siêu tăng áp cùng nhau tạo thành máy phát khí.

4.2 Các đặc điểm kỹ thuật chính của tua bin khí biển

Trong quá trình phát triển, tua bin khí lần đầu tiên được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực động cơ đẩy hàng không và thay thế hoàn toàn động cơ piston. Từ năm 1947, tua bin khí cũng được sử dụng trong lĩnh vực tàu nổi và đã có những tiến bộ lớn trong những thập kỷ tiếp theo. Chúng dần trở thành một trong những đơn vị năng lượng chính của tàu nổi và được các lực lượng hải quân trên toàn thế giới đánh giá cao. Những ưu điểm kỹ thuật của chúng chủ yếu như sau.

1) Khả năng cơ động tốt, hiệu suất khởi động và tăng tốc tuyệt vời. Tua bin khí khởi động từ trạng thái lạnh và chỉ mất 2 đến 3 phút để đạt đến điều kiện tải đầy đủ. Khi phát hiện ra kẻ thù, tàu có thể phản ứng nhanh chóng và nhanh chóng tham gia chiến đấu, cải thiện khả năng cơ động chiến đấu và rút ngắn hiệu quả thời gian chuẩn bị. Những ưu điểm trên có ý nghĩa rất lớn đối với tàu nổi.

2) Tua bin khí có trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ, có thể chế tạo thành thân hộp và có công suất đơn vị cao.

3) Ít phụ kiện, phần lớn được lắp trên khung máy nên máy có sức sống mạnh mẽ.

4) Mức độ tự động hóa cao và cần ít nhân viên hơn.

5) Biên độ rung của thiết bị nhỏ, có thể cải thiện hiệu quả môi trường làm việc của nhân viên trên tàu.

6) Dễ sửa chữa, dễ quản lý, khối lượng công việc bảo trì ít và dễ thực hiện điều khiển tự động.

Mặc dù tua bin khí có những ưu điểm kỹ thuật vượt trội nhưng cũng có những nhược điểm sau.

1) Tính kinh tế của tua bin khí không bằng động cơ diesel, đặc biệt là khi chúng lệch khỏi điều kiện vận hành định mức, tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu của tua bin khí sẽ tăng nhanh. Lấy tua bin khí WR-21 làm ví dụ, tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu của nó ở điều kiện định mức tương tự như động cơ diesel tốc độ cao, nhưng khi vận hành ở điều kiện tải thấp, tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu của loại tua bin khí này sẽ tăng nhanh. Chính vì sự tồn tại của các vấn đề trên mà việc ứng dụng tua bin khí trên tàu dân dụng bị hạn chế.

2) Tua bin khí không thể đảo chiều trực tiếp mà cần phải trang bị thiết bị truyền động ngược hoặc cánh quạt có thể điều chỉnh độ cao, làm cho kết cấu tổ máy phức tạp hơn và làm tăng chi phí hệ thống.

3) Tua bin khí có diện tích mặt cắt ngang lớn cho các ống dẫn khí vào và khí thải, ảnh hưởng đến bố cục tổng thể của boong tàu và không gian cabin của tàu nổi.

4) Nhiệt độ khí thải cao, bức xạ nhiệt mạnh nên đặc tính tín hiệu nhiệt cũng mạnh, ảnh hưởng đến khả năng ngụy trang của toàn bộ tàu.

5) Nhạy cảm với các điều kiện môi trường như nhiệt độ, dễ ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của thiết bị.

6) Tuổi thọ của thiết bị ngắn. Vì buồng đốt và cánh tua bin của tua bin khí liên tục hoạt động trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. Đồng thời, không khí biển mà tua bin khí hít vào có chứa một lượng muối nhất định. Dưới tác động của các chất như natri và vanadi, cánh tua bin và vòi phun có thể bị ăn mòn trong thời gian ngắn. Mặc dù vật liệu hợp kim chất lượng cao thường được lựa chọn, nhưng tuổi thọ của tua bin khí biển vẫn ngắn.

4.3 Tổng quan về sự phát triển kỹ thuật của tua bin khí biển

So với tua bin hơi, tua bin khí có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, tiêu thụ nhiên liệu thấp, khởi động và tăng tốc tốt, vận hành và bảo dưỡng hàng ngày đơn giản, thuận tiện cho việc điều khiển tập trung từ xa. So với động cơ diesel, tua bin khí mặc dù có hiệu suất nhiệt tương đối thấp, nhưng công suất trên một đơn vị cao hơn, cấu trúc đơn giản hơn, ít bộ phận hơn, trọng lượng nhẹ hơn, kích thước nhỏ hơn và độ tin cậy dần được cải thiện. Do đó, các lĩnh vực ứng dụng của chúng đã dần được mở rộng trong những năm gần đây.

Những năm gần đây, một số tàu dân dụng tốc độ cao cũng đã bắt đầu sử dụng tua bin khí làm động lực đẩy chính. Các tàu chính của một số quốc gia đều sử dụng tua bin khí làm động lực đẩy. Theo nhu cầu về điện năng của tàu tăng lên, cũng có kế hoạch sử dụng tua bin khí làm trạm phát điện. Nghiên cứu và phát triển tua bin khí trên biển ở nước tôi cũng đã có những tiến bộ đáng kể và có triển vọng phát triển rộng rãi.

Ở giai đoạn này, hai loại tua bin khí khác nhau chủ yếu được phát triển: loại có nguồn gốc từ hàng không và loại công nghiệp. Các loại có nguồn gốc từ hàng không có đặc điểm là cấu trúc đơn giản, trọng lượng nhẹ và dễ điều khiển, nhưng chúng phải sử dụng nhiên liệu chất lượng cao. Tua bin khí công nghiệp là một loại mô hình khác, có tuổi thọ dài hơn và có thể sử dụng dầu nặng được xử lý đúng cách. Các đơn vị công nghiệp thường sử dụng máy tái sinh. Quá trình đốt nhiên liệu đòi hỏi một lượng không khí lớn và tạo ra một lượng khí thải lớn, khiến cho việc cung cấp không khí và phát thải khí thải trở thành vấn đề quan trọng.

Một lý do khác khiến tua bin khí biển phát triển nhanh chóng là chúng kế thừa và tận dụng nền tảng kỹ thuật hiện có của tua bin khí hàng không và tua bin khí công nghiệp. Đặc biệt đối với tua bin khí, động cơ hàng không luôn là tiền thân của sự phát triển công nghệ tua bin khí. Nguyên lý của tua bin khí đã được mọi người biết đến từ lâu, nhưng trong một thời gian dài, so với tua bin hơi, việc ứng dụng tua bin khí trong công nghiệp tương đối chậm. Chất lỏng làm việc của tua bin hơi có thể ngưng tụ thành nước, do đó công suất tiêu thụ của bơm nước cấp không lớn. Tuy nhiên, chất lỏng làm việc của tua bin khí là không khí và khí không thể ngưng tụ thành nước, do đó máy nén cần tiêu thụ một lượng năng lượng đáng kể để đạt được quá trình nén. Do đó, chỉ khi nhiệt độ chu trình, hiệu suất máy nén và tua bin cao thì tua bin khí mới có thể có hiệu suất chu trình cao và cung cấp công suất hữu ích lớn. Chính những khó khăn về mặt kỹ thuật trong vật liệu chịu nhiệt độ cao, công nghệ làm mát cánh và hiệu suất khí động học của máy nén đã hạn chế sự phát triển và ứng dụng của tua bin khí.

So với tua bin khí công nghiệp, tua bin khí biển có yêu cầu nghiêm ngặt hơn về trọng lượng và kích thước của cụm. Tuy nhiên, yêu cầu này tương đối lỏng lẻo so với tua bin khí hàng không. Ngược lại, trọng tâm hoặc mâu thuẫn chính của thiết kế khí động học của tua bin khí biển thường là hiệu suất thành phần cao và đặc tính vận hành biến đổi ổn định. Đồng thời, để rút ngắn chu kỳ phát triển, cần phải giảm khối lượng công việc gỡ lỗi. Khi thiết kế các thành phần chính của tua bin khí biển, cần chú ý đầy đủ đến các yêu cầu về công nghệ trưởng thành, giải pháp ổn định, cấu trúc đơn giản và sản xuất thuận tiện. Không giống như tua bin khí hàng không, công suất bay của tua bin khí biển thấp hơn đáng kể so với công suất tối đa của nó. Mặc dù đặc thù này có thể được giải quyết bằng cách áp dụng một cụm công suất kết hợp của cụm bay và cụm tăng tốc, nhưng nó vẫn đưa ra một số yêu cầu nhất định về tính kinh tế của tua bin khí biển trong nhiều điều kiện tải khác nhau.

Hiện nay, tua bin khí có nguồn gốc từ hàng không nói chung đã trở thành đơn vị năng lượng của tàu quân sự. Tua bin khí công nghiệp phù hợp hơn với tàu dân sự, có yêu cầu thấp hơn về trọng lượng và kích thước của đơn vị năng lượng. Nếu tàu cần đảo chiều, có thể sử dụng chân vịt có bước thay đổi và hệ thống đẩy điện. Ngoài ra, tua bin khí chu trình kín có hiệu suất cao, nhưng vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu. Trên tàu, tua bin khí thường được đưa vào sử dụng với các đơn vị năng lượng kết hợp.

Hiện nay, tua bin khí biển luôn phát triển theo hướng tăng công suất, cải thiện hiệu suất và giảm kích thước và trọng lượng. Phương hướng phát triển trong tương lai chủ yếu như sau.

1) Tiếp tục phát triển các chu trình đơn giản với các thông số ban đầu cao hơn, liên tục tăng nhiệt độ ban đầu của khí và tăng tỷ lệ áp suất tương ứng, đồng thời áp dụng công nghệ làm mát hiệu quả hơn. Bằng cách áp dụng công nghệ làm mát tiên tiến, nhiệt độ ban đầu của khí có thể tăng trung bình khoảng 25 ℃ mỗi năm. Trong những năm gần đây, vật liệu chịu nhiệt có độ bền cao cũng đã liên tục được phát triển. Bằng cách áp dụng vật liệu chịu nhiệt độ cao, nhiệt độ ban đầu của khí có thể tăng trung bình khoảng 10 ℃ mỗi năm.

2) Tiếp tục phát triển các chu trình phức hợp và tận dụng tối đa nhiệt thải của tua bin khí để nâng cao hiệu suất chung của tổ máy. Để đạt được mục đích này, có thể sử dụng các chu trình thu hồi nhiệt và chu trình kết hợp khí-hơi.

3) Cải thiện hơn nữa hiệu suất của các thành phần chính của tua bin khí và nâng cao hiệu suất tổng thể của thiết bị.

5 So sánh các thông số kỹ thuật của máy chính tàu thủy

Công suất đầu ra là một yếu tố mà các tàu mặt nước lớn cần tập trung vào khi lựa chọn động cơ chính. Nhìn chung, có hai chỉ số chính quyết định công suất đầu ra thực tế của động cơ nhiệt: lưu lượng chất lỏng làm việc và độ giảm nhiệt riêng của chất lỏng làm việc trên một đơn vị lưu lượng.

Với tiền đề là kích thước đơn vị tương tự, tua bin khí tốt hơn đáng kể so với động cơ diesel về mặt công suất đầu ra. Nguyên nhân chính của hiện tượng trên là tính liên tục của dòng chất lỏng làm việc của chính tua bin khí. Quá trình đốt cháy bên trong tua bin khí ở trạng thái liên tục, trong khi quá trình đốt cháy bên trong động cơ diesel là gián đoạn. Để tránh hỏng hóc do nhiệt độ cao và các hiện tượng khác, nhiệt độ đỉnh của chất lỏng làm việc bên trong tua bin khí thường thấp hơn nhiệt độ đỉnh của động cơ diesel. Hơn nữa, hiệu ứng nén của máy nén trục được sử dụng trong tua bin khí thường không tốt bằng cơ cấu piston của động cơ diesel. Do đó, xét về độ giảm nhiệt enthalpy riêng của chất lỏng làm việc trên một đơn vị lưu lượng, tua bin khí không có lợi thế. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, vì chất lỏng làm việc bên trong tua bin khí ở trạng thái dòng chảy liên tục và không có hiện tượng thông lượng qua lại, nên chất lỏng làm việc có lợi thế rõ ràng về mặt lưu lượng. Nhìn chung, với tiền đề là kích thước và trọng lượng kết cấu tương tự, công suất đầu ra của tua bin khí thường cao hơn so với động cơ diesel.

So với tua bin hơi, cũng là máy tua bin nhiệt, chất lỏng làm việc bên trong tua bin khí cũng ở trạng thái dòng chảy liên tục. Mặc dù nhiệt độ của chất lỏng làm việc bên trong tua bin khí cao hơn, nhưng áp suất của nó lại thấp hơn đáng kể. Áp suất của chất lỏng làm việc của tua bin khí thường chỉ vài MPa, nhưng áp suất hơi của tua bin hơi siêu tới hạn hiện tại có thể đạt tới 30 MPa, dẫn đến độ giảm enthalpy riêng khả dụng của tua bin khí chỉ bằng khoảng 1/5 đến 1/3 độ giảm enthalpy riêng của tua bin hơi. Nhìn chung, tua bin khí thường kém hơn tua bin hơi về công suất đầu ra, nhưng xét đến khả năng cơ động cao và quản lý tự động hóa của tua bin khí, chúng vẫn có triển vọng ứng dụng nhất định trong lĩnh vực tàu nổi lớn. Dựa trên những điều trên, các thông số kỹ thuật có liên quan của các động cơ chính hàng hải khác nhau được thể hiện trong Bảng 1.

6 Đặc điểm kỹ thuật và tổng quan phát triển của các tổ hợp động lực hàng hải

6.1 Nguồn gốc của các tổ hợp năng lượng biển

Các đơn vị năng lượng trên biển khác nhau về công suất, tốc độ, khả năng cơ động, tính kinh tế, trọng lượng và kích thước. Đối với tàu dân sự, cân nhắc chính là tính kinh tế và những thiếu sót chỉ có thể được cải thiện bằng các biện pháp thích hợp. Đối với tàu quân sự, hiệu quả chiến đấu là mục tiêu chính và chú ý nhiều hơn đến việc cải thiện công suất của đơn vị để cải thiện tốc độ và khả năng cơ động của toàn bộ tàu.

Theo số liệu thống kê có liên quan (Bảng 2), trong quá trình điều hướng, tàu nổi thường ở trong điều kiện hành trình (tốc độ thấp) hầu hết thời gian. Vào thời điểm này, công suất đầu ra của bộ nguồn thường không vượt quá 25% tổng công suất, do đó, có thể chọn một bộ nguồn có công suất thấp hơn, tuổi thọ dài hơn và mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn để vận hành. Trong trường hợp chiến tranh hoặc diễn tập chiến đấu thực tế (thời gian hành trình của tàu nổi trong những điều kiện như vậy chỉ chiếm khoảng 3% tổng thời gian hành trình), có thể sử dụng một bộ tăng tốc khác có công suất cao hơn và mức tiêu thụ nhiên liệu cao hơn tương ứng. Đồng thời, bộ nguồn hành trình và bộ tăng tốc cũng có thể được đưa vào vận hành cùng nhau để tạo ra công suất cao hơn và đáp ứng các yêu cầu về tốc độ cao. Một thiết bị như vậy thường được gọi là bộ nguồn kết hợp, có thể được sử dụng để cân bằng các yêu cầu kinh tế của tàu nổi trong điều kiện hành trình và các yêu cầu về khả năng cơ động cao trong chiến đấu.

6.2 Tổng quan về sự phát triển của các tổ máy phát điện kết hợp và các loại tổ hợp của chúng

6.2.1 Tổng quan về sự phát triển của các tổ máy điện kết hợp

Cho đến nay, các tổ hợp động lực cho tàu nổi đã được phát triển trong một thời gian dài. Kinh nghiệm liên quan cho thấy rằng bất cứ khi nào một loại động cơ nhiệt mới ra đời, một loại tổ hợp động lực mới bao gồm loại tổ hợp này và các động cơ chính hiện có khác thường sẽ xuất hiện. Trong quá trình sử dụng thực tế, khi hiệu suất kỹ thuật của động cơ nhiệt mới được cải thiện, một loại tổ hợp động lực duy nhất sẽ dần dần giành được lợi thế và thay thế tổ hợp động lực đã sử dụng trước đó. Cho đến khi các động cơ nhiệt tiên tiến hơn xuất hiện, chúng sẽ được kết hợp với các động cơ chính hiện có một lần nữa để tạo ra một tổ hợp động lực mới lạ hơn. Hiện tượng này lặp lại vô tận.

Cụ thể, động cơ hơi nước là một loại động cơ nhiệt ra đời trong thời kỳ Cách mạng công nghiệp và đóng vai trò quan trọng trong lịch sử loài người. Đến cuối thế kỷ 19, tua bin hơi nước ra đời, đây là một loại tổ máy điện hơi nước mới. Tổ máy điện kết hợp sớm nhất trong lịch sử bao gồm một động cơ hơi nước và một tua bin hơi nước. Khái niệm thiết kế của loại tổ máy điện kết hợp này như sau: Do hạn chế về thể tích khe hở và hành trình xi lanh của động cơ hơi nước, hơi nước ở nhiệt độ cao không thể giãn nở hoàn toàn trong xi lanh, do đó, một tua bin hơi nước được bố trí phía sau động cơ hơi nước. Hơi nước đã sinh công trong động cơ hơi nước đi vào tua bin hơi nước để giãn nở trở lại, do đó thu hồi một phần năng lượng hơi nước. Theo cách này, đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng theo tầng và hiệu suất công suất và nhiệt của tổ máy được cải thiện hiệu quả.

Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, động cơ hơi nước đã dần rút khỏi giai đoạn lịch sử, và nhiều tàu lớn có xu hướng sử dụng một loại động cơ chính duy nhất như tua bin hơi nước. Để phát huy ưu điểm kỹ thuật của tua bin hơi nước và khắc phục nhược điểm của chúng, ngoài việc liên tục cải thiện hiệu suất kỹ thuật của thân tua bin hơi nước, nó còn có thể hình thành một tổ hợp công suất với các loại động cơ nhiệt khác. Sau Thế chiến II, với sự cải tiến dần dần của công nghệ tua bin khí, hiệu suất công suất tuyệt vời của nó cũng đã thu hút được sự chú ý rộng rãi và một loạt các tổ hợp công suất với nó như một đơn vị tăng tốc đã dần xuất hiện.

Hiện nay, chủ yếu có các loại tổ máy phát điện kết hợp sau đây do tuabin khí chiếm ưu thế.

1) Tổ hợp động cơ đốt hơi. Loại nhà máy điện kết hợp này sử dụng một tua bin hơi nhỏ làm thiết bị hành trình và một tua bin khí làm thiết bị tăng tốc. So với nhà máy điện tua bin hơi đơn, loại nhà máy điện kết hợp này đã được cải thiện đáng kể về kích thước, trọng lượng và hiệu suất tăng tốc khởi động.

2) Nhà máy điện kết hợp nhiên liệu-nhiên liệu. Nhà máy điện kết hợp nhiên liệu-nhiên liệu được chia thành hai loại: nhà máy điện kết hợp nhiên liệu-nhiên liệu và nhà máy điện xoay chiều nhiên liệu-nhiên liệu. Đơn vị hành trình và đơn vị tăng tốc của thiết bị này đều là tua bin khí. Tua bin khí hành trình có thể cung cấp công suất thấp cần thiết cho hành trình một cách kinh tế và hoạt động như một đơn vị tăng tốc trong điều kiện tốc độ cao. Hệ thống này có ưu điểm là hoạt động linh hoạt, công suất cao và trọng lượng nhẹ, nhưng thiết bị đắt tiền và các ống dẫn khí nạp và xả chiếm một không gian lớn trên boong, ảnh hưởng đến bố cục của toàn bộ con tàu.

3) Nhà máy điện kết hợp nhiên liệu diesel. Loại nhà máy điện kết hợp này được chia thành hai loại: nhà máy điện kết hợp nhiên liệu diesel và nhà máy điện xoay chiều nhiên liệu diesel. Thiết bị này sử dụng động cơ diesel làm đơn vị hành trình và tua bin khí làm đơn vị tăng tốc. Động cơ diesel được sử dụng trong hành trình và đảo chiều, và tua bin khí được sử dụng trong điều hướng tốc độ cao. Loại đơn vị điện kết hợp này có ưu điểm là mức tiêu thụ nhiên liệu thấp, khả năng tăng tốc tốt và độ tin cậy cao.

6.2.2 Các loại tổ hợp chính của tổ máy phát điện kết hợp

Xét đến những ưu điểm kỹ thuật nổi bật của tua bin khí, các tổ máy điện kết hợp tạo nên tua bin khí được thể hiện dưới đây và tóm tắt trong Bảng 3.

6.3 Các đặc điểm kỹ thuật chính của tổ máy phát điện kết hợp

Nhìn chung, bộ nguồn kết hợp có các tính năng kỹ thuật sau.

1) Vì tuabin khí nhẹ hơn và dễ điều khiển hơn được sử dụng làm bộ phận tăng tốc, và do đó cung cấp hầu hết (hoặc thậm chí toàn bộ) năng lượng trong điều kiện tải trọng cao, nên tổng trọng lượng của bộ phận truyền động của toàn bộ con tàu có thể giảm đi tương ứng.

2) Vì sử dụng một đơn vị tuần tra hiệu quả và tiết kiệm hơn nên độ bền của tàu nổi có thể được cải thiện đáng kể.

3) Do sử dụng hai loại thiết bị độc lập nên độ tin cậy của thiết bị điện được cải thiện.

4) Để thực hiện quá trình đảo ngược của tàu nổi, cụm động cơ kết hợp phù hợp hơn để kết hợp với các hệ thống liên quan như chân vịt bước, bộ giảm tốc và hệ thống đẩy điện. Vào thời điểm này, bất kỳ động cơ chính nào cũng có thể độc lập dẫn động chân vịt. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nếu sử dụng động cơ chính có thể đạt được vòng quay ngược (như động cơ diesel tốc độ thấp và tua bin ngược được đề cập trong 3.3 của bài viết này), thì thường sẽ dẫn đến sự không khớp của công suất truyền hoặc các vấn đề kỹ thuật phức tạp hơn khác, do đó làm giảm độ tin cậy của hệ thống.

6.4 Xu hướng phát triển chung của tổ máy điện hỗn hợp

Như đã đề cập ở trên, do đặc điểm hiệu suất và khả năng ứng dụng khác nhau của một số loại động cơ nhiệt nên không thể biến các động cơ chính liên quan thành một tổ hợp năng lượng lý tưởng chỉ bằng cách kết hợp chúng theo từng cặp.

Đối với các tổ hợp điện hiện tại, tua bin khí chủ yếu được sử dụng làm tổ hợp tăng tốc. Lấy tổ hợp điện loại COGOG làm ví dụ, tổ hợp hành trình thường sử dụng tua bin khí nặng với trọng lượng đơn vị lớn hơn, công suất nhỏ hơn, tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn và tuổi thọ dài hơn, trong khi tổ hợp tăng tốc thường sử dụng tua bin khí nhẹ với công suất lớn hơn, tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu cao hơn và tuổi thọ ngắn hơn.

Một ví dụ khác là tổ hợp điện loại COSAG đã đề cập ở trên. Với sự gia tăng công suất động cơ diesel và cải thiện hiệu suất tua bin khí trong những năm gần đây, cũng như hiệu quả sử dụng thực tế và độ tin cậy của tua bin hơi ngược trong trạng thái kết hợp của tổ hợp, việc cải thiện là cấp thiết. Do đó, tổ hợp điện loại COSAG dần được thay thế bằng tổ hợp điện loại CODOG và tổ hợp điện loại CODAG.

7 Đặc điểm kỹ thuật và các loại cụ thể của tổ máy điện hạt nhân trên biển

7.1 Tổng quan về các đơn vị điện hạt nhân biển

Bộ phận chính của một tổ máy điện hạt nhân là lò phản ứng nguyên tử, tương đương với lò và buồng đốt của nồi hơi. Các tổ máy điện hạt nhân thường sử dụng 235U làm nhiên liệu hạt nhân của lò phản ứng. Các tàu chiến chạy bằng năng lượng hạt nhân thường sử dụng nhiên liệu hạt nhân có nồng độ cao với nồng độ từ 20% đến 40% để giảm kích thước và trọng lượng của thiết bị. Các tàu buôn chạy bằng năng lượng hạt nhân, xét về mặt kinh tế, phần lớn sử dụng nhiên liệu hạt nhân có nồng độ thấp với nồng độ dưới 5%. Nhà máy điện hạt nhân có thể cải thiện đáng kể độ bền của động cơ chính của tàu, không cần phải hít không khí và thải khí thải, điều này có ý nghĩa đặc biệt đối với tàu ngầm. Do đó, nhà máy điện hạt nhân đầu tiên được sử dụng rộng rãi trên tàu ngầm. Nhà máy điện hạt nhân cũng có triển vọng ứng dụng tốt trên các tàu lớn như tàu sân bay và tàu tuần dương. Do chất phóng xạ trong tàu chạy bằng năng lượng hạt nhân gây hại cho cơ thể con người và ô nhiễm nước cảng nên phải sử dụng lớp bảo vệ chì khổng lồ và một bộ biện pháp bảo vệ an toàn hoàn chỉnh, tốn kém và công nghệ thử nghiệm và quản lý phức tạp. Mặc dù cũng được sử dụng trên tàu dân sự nhưng nó chưa được quảng bá rộng rãi và vẫn đang trong giai đoạn phát triển.

7.2 Các đặc điểm kỹ thuật chính của nhà máy điện hạt nhân biển

Việc ứng dụng lò phản ứng hạt nhân trên diện rộng đã mở ra triển vọng rộng lớn cho việc phát triển các nhà máy điện trên biển và những ưu điểm kỹ thuật của nó chủ yếu như sau.

1) Một lượng nhỏ nhiên liệu hạt nhân có thể được tiêu thụ để có được năng lượng khổng lồ. Các tàu sử dụng nhà máy điện hạt nhân có thể di chuyển quãng đường cực dài với tốc độ cao. Ví dụ, một nhà máy điện hạt nhân có công suất khoảng 11,040 kW (15,000 PS) chỉ tiêu thụ 15 đến 18 g nhiên liệu hạt nhân trong một ngày đêm. Tàu ngầm hạt nhân đầu tiên của Hoa Kỳ, Nautilus, có thể đi vòng quanh thế giới dưới nước mà không cần tiếp nhiên liệu. Tàu phá băng chạy bằng năng lượng hạt nhân Lenin của Liên Xô có thể đi liên tục trong một năm mà không cần tiếp nhiên liệu. Sau khi sử dụng nhà máy điện hạt nhân, sức bền của tàu nổi được cải thiện rất nhiều và không gian tiết kiệm được có thể được sử dụng để mang nhiều vũ khí và trang thiết bị hơn, nâng cao khả năng chiến đấu của toàn bộ tàu.

2) Không tiêu thụ không khí. Quá trình phản ứng hạt nhân không cần sự tham gia của không khí. Tính năng này không có loại nhà máy điện nào khác sánh kịp, đặc biệt là đối với tàu ngầm. Bằng cách sử dụng nhà máy điện hạt nhân, hiệu quả chiến đấu của tàu ngầm có thể được cải thiện đáng kể và chúng có thể ẩn náu trong vùng biển sâu trong thời gian dài, khiến chúng khó bị kẻ thù phát hiện. Đặc điểm của nhà máy điện hạt nhân là chúng không tiêu thụ không khí cũng có một số lợi thế nhất định đối với tàu nổi, vì không cần thiết lập ống dẫn khí vào và ống xả, và không tạo ra khói nhiệt độ cao, do đó cải thiện khả năng ẩn náu. Trong chiến tranh hạt nhân, nguy cơ hít phải khói phóng xạ từ cửa hút khí cũng giảm đi, giúp dễ dàng thực hiện bảo vệ hạt nhân.

Nhưng đồng thời, nhà máy điện hạt nhân cũng có một số nhược điểm nhất định, chủ yếu như sau.

1) Trọng lượng và kích thước lớn. Vì quá trình phản ứng hạt nhân sẽ giải phóng một lượng lớn chất phóng xạ, gây hại nghiêm trọng cho cơ thể con người và gây ô nhiễm nhất định cho vùng biển, vùng nước ngoài khơi và bến tàu, nên cần phải thiết lập các rào chắn nặng hàng trăm tấn hoặc thậm chí hàng nghìn tấn để ngăn chặn chất phóng xạ thoát ra ngoài, điều này làm cho kích thước và trọng lượng của toàn bộ nhà máy điện lớn hơn.

2) Nhà máy điện hạt nhân tốn kém và công nghệ vận hành, quản lý phức tạp, ở một mức độ nào đó hạn chế việc phát triển chúng trên diện rộng.

Vì những lý do trên, nhà máy điện hạt nhân chủ yếu được sử dụng cho tàu nổi và tàu ngầm cỡ lớn, còn việc phát triển chúng trong lĩnh vực tàu dân sự tương đối chậm.

7.3 Các loại lò phản ứng hạt nhân biển cụ thể
Để đảm bảo an toàn cho người trên tàu, tàu chạy bằng năng lượng hạt nhân thường có yêu cầu bảo vệ phóng xạ nghiêm ngặt hơn so với nhà máy điện hạt nhân trên đất liền. Tàu nổi có thể gặp phải va chạm, mắc cạn, cháy nổ trong quá trình di chuyển hoặc có thể bị đánh chìm do các cuộc tấn công ngẫu nhiên từ các loại vũ khí như ngư lôi và tên lửa. Với tiền đề là các tai nạn liên quan có khả năng xảy ra, để giảm sự lan truyền ô nhiễm hạt nhân, nhà máy điện hạt nhân trên tàu phải có chức năng đóng cửa vĩnh viễn và cần được trang bị rào chắn lò phản ứng rắn. Theo yêu cầu đặc biệt của tàu đối với nhà máy điện hạt nhân, các lò phản ứng nước áp suất hiện đang được sử dụng chủ yếu thuộc ba loại sau.

7.3.1 Lò phản ứng thanh nhiên liệu tấm urani làm giàu cao

Loại lò phản ứng này sử dụng các thanh nhiên liệu dạng tấm có độ làm giàu 235U lớn hơn 20%. Thanh nhiên liệu dạng tấm có diện tích tản nhiệt lớn, bố trí lõi nhỏ gọn, thể tích nhỏ và công suất đầu ra trên một đơn vị thể tích cao. Điều này có thể làm giảm kích thước vỏ lò phản ứng và làm cho bố trí thiết bị nhỏ gọn hơn. Tuy nhiên, nhược điểm kỹ thuật của nó chủ yếu nằm ở nồng độ nhiên liệu hạt nhân cần thiết cao và chi phí thiết kế, xây dựng và vận hành cao.

7.3.2 Lò phản ứng nước áp suất phân tán urani làm giàu thấp

Cấu trúc của loại lò phản ứng nước áp suất này gần giống với cấu trúc của lò phản ứng nước áp suất của nhà máy điện hạt nhân trên đất liền. Nó bao gồm một máy phát hơi nước, một lò phản ứng, một máy bơm làm mát chính và một máy tăng áp. Các thành phần liên quan được kết nối bằng đường ống để tạo thành một vòng kín nhiệt độ cao, áp suất cao. Hệ thống vòng lặp thứ cấp và thiết bị tương tự như các nhà máy điện hơi nước biển thông thường.

7.3.3 Lò phản ứng nước áp suất tích hợp

Lấy lò phản ứng nước áp suất biển “Otto Hahn” của Đức làm ví dụ. Nó sử dụng cấu trúc tích hợp, hệ thống vòng lặp sơ cấp đơn giản, thiết bị nhỏ gọn và kích thước vỏ an toàn lò phản ứng nhỏ, phù hợp với tàu nổi. Ngoài ra, lõi được đổ đầy nước làm mát và có hiệu suất tuần hoàn tự nhiên tốt. Khi bơm làm mát dừng ở vòng lặp sơ cấp, vẫn có thể dựa vào tuần hoàn tự nhiên của chất làm mát để duy trì quá trình làm mát của lõi. Nhược điểm của lò phản ứng nước áp suất tích hợp là lò phản ứng, bộ bay hơi và bơm chính được kết nối với nhau, khiến cấu trúc bên trong của lò phản ứng phức tạp và làm tăng độ khó trong thiết kế, chế tạo và bảo trì.

8 Thiết bị đẩy điện hàng hải

Thiết bị đẩy điện cũng có thể được sử dụng để đẩy tàu. Loại thiết bị này lấy năng lượng điện thông qua nhiều phương tiện khác nhau, sau đó động cơ dẫn động chân vịt để cung cấp năng lượng đẩy cho tàu. Đặc điểm của nó là tốc độ chân vịt có thể được điều chỉnh tùy ý để đáp ứng nhu cầu điều hướng trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau, đồng thời dễ vận hành và dễ quản lý. Nó phù hợp hơn với một số tàu có yêu cầu đặc biệt, chẳng hạn như tàu ngầm, tàu nghiên cứu khoa học, phà, v.v. Ưu điểm lớn nhất của thiết bị đẩy điện là khả năng cơ động tốt. Tốc độ tối thiểu của động cơ có thể đạt dưới 1/10 tốc độ định mức và tàu có thể di chuyển ở tốc độ cực thấp. Ngoài ra, thời gian khởi động và đảo chiều tiến và lùi của loại thiết bị này cũng ngắn. Máy phát điện chính và chân vịt do động cơ dẫn động đều có thể hoạt động trong điều kiện làm việc tốt nhất, dễ điều khiển và quản lý từ xa, độ rung và tiếng ồn của toàn bộ thiết bị tương đối nhỏ.

Nhìn chung, đơn vị được sử dụng để phát điện bao gồm một động cơ chính và một máy phát điện. Động cơ chính chủ yếu bao gồm tua bin hơi, động cơ diesel và tua bin khí, về cơ bản giống như các loại động cơ chính của tàu. Như đã đề cập ở trên, do công suất tương đối nhỏ của động cơ diesel nên chúng thường được sử dụng cho các tổ máy phát điện chính và phụ của tàu phụ quân sự hoặc các tổ máy phát điện phụ của tàu quân sự. Tua bin hơi có ưu điểm là tốc độ cao và công suất cao, công nghệ tương đối trưởng thành, nhưng chúng cũng có những nhược điểm như kích thước và trọng lượng lớn, hiệu suất thấp, diện tích tàu lớn và bố trí khó khăn. Nếu chúng được sử dụng trong các tổ máy phát điện, mật độ công suất của toàn bộ tổ máy phát điện sẽ bị giảm. Ngoài ra, do tua bin hơi có tốc độ cao nên nếu sử dụng lưới điện xoay chiều 50 Hz, cần phải có hộp số lớn để giảm tốc độ, điều này sẽ làm tăng tiếng ồn của toàn bộ tàu theo đó. Tua bin khí có triển vọng tốt trong lĩnh vực này. Hiện nay, nhiều hệ thống đẩy điện của tàu lựa chọn tua bin khí làm động cơ chính để phát điện.

9 Tổng quan về lịch sử phát triển của công nghệ nhà máy điện biển

Kể từ khi động cơ hơi nước được sử dụng trong các nhà máy điện trên biển, nó nhanh chóng chiếm một vị trí thống trị nhất định. Cho đến Chiến tranh thế giới thứ nhất, động cơ hơi nước vẫn thống trị các tàu dân sự và quân sự trên toàn thế giới và là nguồn năng lượng quan trọng nhất cho tàu thuyền. Tuy nhiên, thời kỳ hoàng kim của động cơ hơi nước đã đi đến hồi kết. Do kích thước lớn và hiệu suất nhiệt thấp của động cơ hơi nước, chúng dần được thay thế bằng động cơ diesel và tua bin hơi nước trong Chiến tranh thế giới thứ nhất và Chiến tranh thế giới thứ hai. Đồng thời, vì tốc độ tiêu thụ nhiên liệu của động cơ diesel tốc độ thấp thấp hơn đáng kể so với tua bin hơi nước, chúng có thể đốt cháy nhiên liệu chất lượng thấp và có độ tin cậy cao, vì vậy chúng dần thay thế tua bin hơi nước trong lĩnh vực tàu dân sự.

Đối với các tàu có lượng giãn nước lớn hơn, tua bin hơi nước hầu như đều được sử dụng, trong khi các tàu nhỏ có xu hướng sử dụng động cơ diesel nhiều hơn. Mãi đến năm 1947, một đối thủ mới của động cơ diesel mới xuất hiện. Sau khi tàu Anh đầu tiên được đẩy bằng tua bin khí được thử nghiệm, nó bắt đầu cạnh tranh với động cơ diesel và tua bin hơi nước đang thống trị vào thời điểm đó.

Mặc dù có tính kinh tế cao và đã đạt được những kết quả đáng chú ý trong lĩnh vực nhà máy điện trên biển, nhưng bản thân động cơ diesel bị hạn chế về công suất và không còn đáp ứng được yêu cầu về hiệu suất công suất của tàu lớn. Ngược lại, mặc dù tua bin hơi có cấu trúc đơn giản và công suất cao, nhưng nó cần được trang bị thiết bị tạo hơi lớn (như nồi hơi, v.v.) và các hệ thống phụ trợ, tính kinh tế và khả năng cơ động kém. Tình trạng mâu thuẫn này vẫn tiếp diễn cho đến khi tua bin khí ra đời. Khi tua bin khí được phổ biến rộng rãi trong lĩnh vực điện tàu quân sự, các vấn đề trên đã dần được giải quyết. Tua bin khí không chỉ có thể chế tạo một mô hình tổ máy điện duy nhất mà còn có thể kết hợp với các tổ máy điện khác như động cơ diesel để tạo thành một tổ máy điện kết hợp mới. Tàu có tua bin khí chu trình phức hợp làm tổ máy điện không chỉ có chỉ số kinh tế tốt mà còn có công suất tổng thể cao, có thể nói là tốt nhất của cả hai thế giới.

Chính vì tua bin khí có ưu điểm là dễ khởi động và khả năng cơ động tốt nên chúng được chú ý rộng rãi và có khả năng là “kẻ đến sau”. Tuy nhiên, vì tua bin khí hoạt động trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao nên chúng có yêu cầu cao về chất lượng nhiên liệu và hiệu suất nhiệt của chúng thấp hơn đáng kể so với động cơ diesel nên chúng hiếm khi được sử dụng trên tàu dân dụng.

Nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng hạt nhân để thu được hơi nước nhiệt độ cao, áp suất cao. Lò phản ứng hạt nhân tạo ra năng lượng cao thông qua các phản ứng dây chuyền phân hạch hạt nhân có thể kiểm soát được, được hấp thụ bởi nước làm mát tuần hoàn liên tục. Sau đó, nhiệt được truyền đến nước trong vòng lặp thứ hai thông qua máy phát hơi nước, biến nước thành hơi nước và sau đó đi đến tua bin hơi nước để thực hiện công việc. Hiện nay, nhà máy điện hạt nhân chủ yếu được sử dụng trong các tàu nổi và tàu ngầm lớn.

Các nước trên thế giới cũng đã tiến hành nghiên cứu có liên quan về ứng dụng nhà máy điện hạt nhân trong lĩnh vực tàu dân sự. Hoa Kỳ đã thử nghiệm thành công trên tàu "Savannah"; Liên Xô cũng đã sử dụng nhà máy điện hạt nhân trên tàu phá băng "Lenin". Kể từ đó, Đức và Nhật Bản cũng đã chế tạo tàu dân sự chạy bằng năng lượng hạt nhân. Sau một thời gian thử nghiệm, các tàu liên quan đã buộc phải dừng hoạt động vì lý do pháp lý và dư luận. Do lo ngại rằng các chất phóng xạ sẽ gây ô nhiễm đường thủy, cảng và môi trường đô thị, nhiều cảng từ chối cho tàu chạy bằng năng lượng hạt nhân vào cảng. Ngoài ra còn thiếu các phương pháp xử lý thích hợp đối với chất thải hạt nhân sau khi sử dụng nhiên liệu hạt nhân, ở một mức độ nào đó hạn chế việc ứng dụng nhà máy điện hạt nhân trên tàu dân sự.

Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, các thiết bị năng lượng biển mới liên tục xuất hiện, chẳng hạn như pin nhiên liệu, hệ thống đẩy từ thủy động, pin mặt trời, v.v. Trong số đó, hệ thống đẩy từ thủy động mới có triển vọng tốt. Phương pháp đẩy này là hệ thống đẩy điện từ siêu dẫn. Nguyên lý của nó là lắp nam châm siêu dẫn trên tàu, sau đó truyền dòng điện qua nước biển, sử dụng từ trường do nam châm siêu dẫn tạo ra và lực do dòng điện trong nước biển tạo ra để đẩy tàu về phía trước. Đặc điểm của hình thức đẩy này là chế độ truyền động được đơn giản hóa, không có bộ phận quay (không có hệ thống chân vịt và trục), lực đẩy lớn và tốc độ cao.

10 Yêu cầu kỹ thuật chính đối với thiết bị điện tàu biển

Để đảm bảo khả năng dẫn đường của thiết bị động lực hàng hải, khi lựa chọn động cơ chính cần phải đáp ứng đầy đủ các tính năng kỹ thuật sau đây, đây cũng có thể là tài liệu tham khảo quan trọng cho việc lựa chọn động cơ chính.

10.1 Độ tin cậy

Sau khi đưa vào vận hành một thời gian, thiết bị cơ điện không tránh khỏi hỏng hóc. Đối với thiết bị điện trên biển, độ tin cậy là vô cùng quan trọng. Độ tin cậy có hai ý nghĩa: một là sức sống của tổ máy, chủ yếu ám chỉ khả năng của tổ máy duy trì hoạt động sau khi chịu tác động của các yếu tố bên ngoài. Điều kiện càng khắc nghiệt thì sức sống càng mạnh; hai là thời gian tổ máy hoạt động bình thường. Thời gian hoạt động bình thường càng dài thì độ tin cậy càng cao và ngược lại.

Đối với các tổ máy phát điện tàu nổi, phương pháp đẩy song song nhiều động cơ nhiều chân vịt hoặc nhiều động cơ thường được sử dụng và độ tin cậy và sức sống của chúng cao hơn đáng kể so với phương pháp đẩy một động cơ một chân vịt. Lấy phương pháp đẩy hai động cơ hai chân vịt làm ví dụ, khi một trong các động cơ chính hoặc chân vịt đi kèm bị hỏng nghiêm trọng, động cơ chính và chân vịt còn lại vẫn có thể hoạt động bình thường và lực đẩy của tàu không bị mất hoàn toàn. Do đó, từ hiệu ứng đẩy tổng thể, phương pháp đẩy hai động cơ hai chân vịt có sức sống mạnh hơn. Do đó, tàu nổi chủ yếu sử dụng phương pháp truyền động hai động cơ hai chân vịt hoặc nhiều động cơ hai chân vịt.

10.2 Khả năng cơ động

Khả năng cơ động đề cập đến khả năng của một đơn vị năng lượng hàng hải chuyển đổi từ trạng thái hoạt động này sang trạng thái hoạt động khác, chẳng hạn như khởi động, tăng tốc, phanh, lùi và nhập làn. Hiệu suất chuyển đổi trạng thái hoạt động của đơn vị năng lượng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng của tàu rời bến, đi thuyền trong vùng băng giá, đi thuyền trong thời tiết sương mù và tránh các trường hợp khẩn cấp.

10.2.1 Khả năng khởi động

Chất lượng khởi động có liên quan chặt chẽ đến loại động cơ chính. Đối với thời gian khởi động của động cơ diesel, chủ yếu phụ thuộc vào hệ thống có thời gian hoạt động dài nhất trong số các hệ thống phụ trợ như nhiên liệu, dầu bôi trơn, nước làm mát và không khí khởi động. Để cải thiện khả năng cơ động của động cơ diesel, các biện pháp như làm ấm xi lanh thường được áp dụng.

So với tua bin hơi, động cơ diesel đòi hỏi một luồng hơi nước nhiệt độ cao nhất định trong quá trình khởi động tua bin hơi, do đó chủ yếu phụ thuộc vào quá trình các thông số hơi nước đạt đến trạng thái quy định sau khi nồi hơi được đốt cháy. Mặc dù một số nồi hơi có thể cung cấp hơi nước nhanh chóng, nhưng thời gian khởi động trung bình của tua bin hơi vẫn dài hơn động cơ diesel.

So với động cơ diesel, tua-bin khí có thời gian khởi động tương đối ngắn hơn, nhưng nhìn chung không có sự khác biệt đáng kể giữa hai loại động cơ này.

10.2.2 Tăng tốc

Gia tốc cũng liên quan đến loại động cơ chính. Điều kiện đầu tiên để rút ngắn thời gian tăng tốc là động cơ chính cần tăng công suất lên giá trị cực đại trong thời gian ngắn. Thứ hai là cánh quạt có thể hấp thụ hoàn toàn công suất đầu ra của động cơ chính trong quá trình tăng tốc và chuyển thành công suất đẩy bên ngoài hay không.

Đối với động cơ chính, các yếu tố chính ảnh hưởng đến thời gian tăng tốc là trọng lượng và quán tính nhiệt của các thành phần. Trọng lượng nhẹ hơn và quán tính nhiệt thấp hơn có lợi cho việc tăng tốc. Nhìn chung, các thành phần chịu nhiệt của tua bin khí tương đối nhẹ và nhỏ, vì vậy chúng có hiệu suất tăng tốc tốt hơn.

Đối với chân vịt, vì tốc độ của chân vịt bước cố định phải chịu một số hạn chế nhất định, nên nó sẽ tăng theo tốc độ tăng của tàu. Do đó, khi tốc độ của chân vịt bước cố định tăng lên, công suất của động cơ chính cũng cần phải tăng dần để đạt được sự phù hợp hợp lý. Chân vịt bước điều chỉnh không bị giới hạn bởi tốc độ của chính nó khi hấp thụ công suất và có thể tạo ra lực đẩy lớn hơn trong thời gian ngắn, do đó khả năng tăng tốc của nó tốt hơn so với chân vịt bước cố định.

10.2.3 Hiệu suất phanh và lùi

Hiệu suất của tàu khi phanh và lùi chủ yếu phụ thuộc vào chân vịt và chế độ truyền động tương ứng. Đối với sự kết hợp của động cơ diesel tốc độ thấp có thể đảo ngược + chân vịt bước cố định, động cơ diesel tốc độ thấp trước tiên phải dừng phun nhiên liệu và giảm tốc độ xuống một phạm vi nhất định trước khi bắt đầu lùi, vì vậy thời gian lùi thường dài hơn.

Đối với các tổ hợp như động cơ chính không đảo chiều + ly hợp + chân vịt bước cố định, chủ yếu phụ thuộc vào hiệu suất của ly hợp. Nếu hệ thống sử dụng ly hợp ma sát, thời gian đảo chiều của tàu chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ tăng của các bộ phận ma sát khi ly hợp đảo chiều. Tải trọng cơ học và tải trọng nhiệt mà ly hợp có thể chịu được khi đảo chiều càng cao thì khả năng phanh khẩn cấp và khả năng đảo chiều càng có lợi.

Đối với các tổ hợp như động cơ chính không đảo chiều + chân vịt có bước điều chỉnh, vì tàu không cần dừng động cơ chính khi phanh và có thể tạo lực đẩy ngược bằng cách điều chỉnh bước của cánh nên hiệu suất phanh và đảo chiều của nó tương đối tốt.

11 Phân tích triển vọng ứng dụng của các tổ máy phát điện biển

Trong những năm gần đây, động cơ diesel đã trở thành nguồn năng lượng chính cho nhiều loại tàu. Trong thời đại ngày càng khan hiếm năng lượng như hiện nay, xét đến hiệu suất nhiệt cao của động cơ diesel và sự thúc đẩy công nghệ dầu chất lượng thấp, động cơ diesel sẽ tiếp tục chiếm vị trí quan trọng trong các động cơ chính của tàu trong vài năm tới.

Các tàu mặt nước cỡ trung và nhỏ chủ yếu được cung cấp năng lượng bằng động cơ diesel. Các tàu này bao gồm tàu ​​săn ngầm, tàu quét mìn, tàu tuần tra, tàu pháo, tàu phóng lôi, tàu tên lửa và tàu phụ trợ. Một số tàu lớn như khinh hạm và tàu khu trục cũng sử dụng động cơ diesel hoặc tổ hợp động cơ diesel-nhiên liệu làm nguồn năng lượng. Trong tổ hợp động cơ diesel-nhiên liệu, động cơ diesel chủ yếu được sử dụng làm động cơ chính hành trình để tận dụng mức tiêu thụ nhiên liệu thấp nhằm kéo dài phạm vi hành trình của tàu. Đối với tàu ngầm, ngoại trừ các tổ hợp năng lượng hạt nhân, tất cả các tàu ngầm thông thường đều sử dụng động cơ diesel làm động cơ chính và một số cũng sử dụng hệ thống đẩy không cần không khí (AIP).

Hiện nay, do sự phát triển của động cơ diesel và tua bin khí, các tổ máy hơi nước đại diện là tua bin hơi nước đã từ bỏ sự thống trị toàn diện trước đây của chúng và hình thành nên một bộ ba chân. Tuy nhiên, tua bin hơi nước vẫn thống trị các tàu lớn, đặc biệt là tàu sân bay và tàu ngầm hạt nhân.

Do lượng nhiên liệu tiêu thụ của tua bin hơi nước lớn, số lượng tàu tua bin hơi nước dân dụng mới đóng đang giảm dần theo từng năm. Ngược lại, hầu hết các tàu chạy bằng khí đốt tự nhiên hóa lỏng đều sử dụng tua bin hơi nước để tái chế và tận dụng khí đốt tự nhiên thoát ra làm nhiên liệu cho lò hơi. Ở nước tôi, tua bin hơi nước vẫn chiếm ưu thế trên các tàu cỡ lớn và vừa, như tàu sân bay và tàu ngầm hạt nhân. Xét về góc độ sử dụng tàu thực tế, ưu điểm nổi bật của tua bin hơi nước là độ an toàn và độ tin cậy, khả năng cơ động tốt, dễ sử dụng và khả năng bảo trì tốt. Nhược điểm của nó là tính kinh tế kém. Với cùng một lượng nhiên liệu, phạm vi hoạt động ngắn. Đây là điểm yếu chí mạng ảnh hưởng đến sự phát triển của tua bin hơi nước trên biển. Để tua bin hơi nước có thể tiếp tục phát triển, cần phải nỗ lực cải thiện tính kinh tế.

Như đã đề cập ở trên, trong và sau Thế chiến II, động cơ diesel và tua bin hơi nước được sử dụng rộng rãi trên tàu. Tuy nhiên, với sự phát triển tiếp theo của công nghệ, đã có xu hướng sử dụng tua bin khí làm động cơ chính. Hiện nay, tua bin khí chủ yếu có thể được chia thành tua bin khí nhẹ và tua bin khí nặng theo các loại cấu trúc khác nhau của chúng. Trong số đó, tua bin khí nhẹ là một loại thiết bị mới dựa trên tua bin khí hàng không và được cải tiến thêm để thích ứng với điều kiện hàng hải của tàu. Tua bin khí nặng được phát triển dựa trên tua bin khí công nghiệp và hiện chủ yếu phù hợp với các tàu dân dụng lớn, chẳng hạn như tàu container, tàu roll-on/roll-off và phà, nhưng do tính kinh tế kém của loại thiết bị này nên ứng dụng của nó vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm.

Tua bin khí biển chủ yếu đi theo con đường cải tiến hàng không. Trong điều kiện môi trường biển và yêu cầu sử dụng tàu, một số lượng lớn công trình nghiên cứu và thử nghiệm đã được thực hiện từ các khía cạnh cải thiện tính kinh tế và độ tin cậy, và nhiều công nghệ và quy trình mới đã được áp dụng. Các sản phẩm đã được cập nhật nhiều lần và đã đạt đến giai đoạn tương đối trưởng thành, nhưng so với động cơ diesel, vẫn còn một khoảng cách nhất định về tính kinh tế. Hiện tại, cả tua bin hơi và tua bin khí đều đang nỗ lực cải thiện tính kinh tế và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, và đã đạt được những kết quả đáng mừng.

Để cân bằng giữa tính kinh tế trong điều kiện hành trình và khả năng tăng tốc cần thiết cho các thao tác chiến lược, tàu nổi thường sử dụng các cụm động cơ kết hợp, bao gồm cụm hành trình và cụm tăng tốc. Cả hai cụm này đều được kết nối với bộ giảm tốc chính bằng một bộ ly hợp, và hộp số tiến và lùi hoặc chân vịt có bước điều chỉnh được sử dụng để thực hiện đảo ngược. Ưu điểm của cụm động cơ kết hợp là có đủ công suất, trọng lượng và thể tích của cụm tương đối nhỏ. Nó giải quyết được mâu thuẫn giữa công suất cao ở tốc độ tối đa và tính kinh tế khi hành trình, đồng thời cải thiện độ bền của tàu.

Các đơn vị điện hạt nhân có thể cải thiện đáng kể sức mạnh và độ bền của tàu, và không yêu cầu đốt cháy không khí, phù hợp hơn với các tàu ngầm như tàu ngầm. Tuy nhiên, vì các chất phóng xạ có thể gây hại nghiêm trọng cho cơ thể con người và gây ô nhiễm môi trường xung quanh, nên phải thiết lập thiết bị bảo vệ phóng xạ nghiêm ngặt cho việc này. Mặc dù nhiên liệu hạt nhân chiếm một không gian nhỏ trong các tàu chạy bằng năng lượng hạt nhân, nhưng xét đến lớp che chắn cần thiết và thiết bị phụ trợ khổng lồ, những lợi thế này bị bù trừ và vẫn có thể tăng thêm tổng tải trọng của tàu. Ngoài ra, các nhà máy điện hạt nhân hiếm khi được sử dụng trên các tàu dân sự do trọng lượng nặng, chi phí cao và công nghệ xây dựng, vận hành và quản lý phức tạp. Hiện nay, việc ứng dụng các nhà máy điện hạt nhân trên các tàu dân sự được xác định nhiều hơn bởi các yếu tố như sự chấp nhận của môi trường cảng địa phương, các thỏa thuận quốc tế, thỏa thuận bảo hiểm và chi phí ban đầu, thay vì tính khả thi về mặt kỹ thuật đơn giản.

Tóm lại, triển vọng ứng dụng của nhà máy điện biển được thể hiện ở Bảng 4.

Theo tình hình trên, tàu dân dụng vẫn sẽ sử dụng động cơ diesel làm nhà máy điện chính trong một khoảng thời gian. Đối với tàu dân dụng lớn, động cơ diesel tốc độ thấp nói chung vẫn là nhà máy điện chính, trong khi đối với các tàu có chiều cao cabin hạn chế như tàu ro-ro, tàu khách, phà, v.v., động cơ diesel tốc độ trung bình và cao phù hợp hơn. Trong số đó, tàu nội địa vẫn chủ yếu là động cơ diesel tốc độ trung bình và cao, trong khi tàu biển lớn chủ yếu là động cơ diesel tốc độ thấp. Trong những năm gần đây, tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu của động cơ tốc độ trung bình đã gần bằng động cơ diesel tốc độ thấp. Chúng có ưu điểm là hiệu suất sử dụng nhiệt thải cao, kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, chi phí thấp và triển vọng tốt.

Theo tình hình của nước tôi, tàu nổi vừa và nhỏ, tàu ngầm và tàu phụ trợ vẫn sẽ chủ yếu được trang bị động cơ diesel tốc độ trung bình và cao. Tàu ngầm lớn sẽ tập trung vào việc phát triển các tổ máy điện hạt nhân và vẫn sử dụng tua bin hơi nước làm động cơ chính. Đồng thời, tua bin khí có ưu điểm hiệu suất đáng kể và đã dần trở thành tổ máy điện tiêu chuẩn cho tàu quân sự trong và ngoài nước. Các tổ máy điện kết hợp khác nhau với tua bin khí làm tổ máy tăng tốc cũng nên được chú ý và phát triển. Hiện nay, việc tăng cường nghiên cứu và phát triển tua bin khí công suất cao cho tàu là cấp thiết.

12 Triển vọng cho các đơn vị năng lượng biển

Tóm lại, động cơ diesel có ưu điểm là hiệu suất nhiệt cao, tiết kiệm nhiên liệu, dải công suất lớn, kết cấu nhỏ gọn, ít thiết bị phụ trợ, có thể dẫn động trực tiếp chân vịt. Tuy nhiên, với sự gia tăng dần dần của trọng tải tàu, động cơ diesel hàng hải bắt buộc phải phát triển theo hướng công suất cao. Để tăng công suất của động cơ diesel, cách duy nhất là tăng đường kính xi lanh, tăng số lượng xi lanh hoặc sử dụng nhiều kiểu máy. Điều này tất yếu sẽ làm tăng trọng lượng và thể tích, khiến việc chế tạo trở nên khó khăn và tốn kém. Do đó, động cơ diesel thường không được sử dụng làm đơn vị động lực đẩy chính trên các tàu lớn. Sau nhiều năm phát triển, động cơ diesel hàng hải đã đạt đến trình độ kỹ thuật tương đối cao. Tuy nhiên, đối với tàu mặt nước vừa và nhỏ, tàu ngầm thông thường và tàu dân dụng, động cơ diesel vẫn là nguồn năng lượng chính. Lượng khí thải carbon thấp là một thách thức nghiêm trọng đối với động cơ diesel ở giai đoạn này. Với những hạn chế về khí thải từ động cơ diesel hàng hải, việc cải thiện tính kinh tế của chúng trở nên khó khăn hơn, đây cũng là một chủ đề mới trong quá trình phát triển động cơ diesel hàng hải trong tương lai. Nhìn chung, do đặc tính quan trọng của động cơ diesel nên tiến bộ công nghệ của chúng đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển và cách mạng của công nghệ tàu thủy, mở ra một chương mới trong sự phát triển của các tổ máy động lực tàu biển.

Tua bin hơi nước có công suất lớn, kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, hoạt động ổn định, tuổi thọ cao, độ tin cậy cao, tỷ lệ tiêu thụ dầu bôi trơn thấp, khả năng quá tải mạnh, có thể đốt nhiên liệu chất lượng thấp, độ rung và tiếng ồn thấp, nhưng hiệu suất nhiệt thấp, quản lý phức tạp, gia công và chế tạo khó khăn, chi phí cao, phải được trang bị hộp số giảm tốc và nồi hơi chính lớn, và phải dẫn động chân vịt thông qua thiết bị giảm tốc. Hiện nay, chúng chủ yếu được sử dụng trên tàu chở dầu lớn, tàu sân bay và tàu ngầm hạt nhân.

So với các tổ máy phát điện trên, tua bin khí có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, chiếm ít không gian cabin và lượng dịch chuyển nhất, có ưu điểm là độ rung và ma sát thấp, dễ quản lý và bảo dưỡng, khởi động nhanh và có thể đạt công suất tối đa trong vòng vài phút sau khi khởi động. Do đó, chúng phù hợp hơn với tàu quân sự. Tuy nhiên, do nhược điểm là hiệu suất nhiệt thấp, kinh tế kém, tuổi thọ ngắn, yêu cầu cao về vật liệu kim loại và không có khả năng đảo ngược nên chúng chưa được quảng bá rộng rãi trên tàu dân sự và chủ yếu được sử dụng trên các tàu hiệu suất cao như tàu đệm khí.

Trong lĩnh vực tàu nổi, có các tổ máy điện kết hợp sử dụng tua bin khí kết hợp với động cơ diesel, tua bin hơi và tổ máy điện hạt nhân. Loại tổ máy điện này xuất hiện sau Thế chiến II và có thể phát huy đầy đủ các ưu điểm của nhiều loại động cơ chính và tận dụng đầy đủ các ưu điểm của tua bin khí.

Các tổ máy điện hạt nhân có những ưu điểm mà các tổ máy điện khác không thể sánh kịp, nhưng chúng cần được trang bị các biện pháp bảo vệ cẩn thận và nặng nề, và đắt tiền, và công nghệ quản lý xây dựng và thử nghiệm phức tạp. Do đó, chúng chưa được sử dụng rộng rãi trên các tàu dân sự trong thời gian này và chủ yếu được sử dụng trên các tàu nổi lớn như tàu sân bay và tàu ngầm. Với sự cạn kiệt năng lượng ngày càng tăng như dầu mỏ, các tổ máy điện hạt nhân dự kiến ​​sẽ được thúc đẩy hơn nữa trong lĩnh vực tàu dân sự.

Kết luận 13

Tóm lại, các đơn vị năng lượng biển đang phát triển theo hướng đa dạng hóa và công suất cao. Các tàu dân dụng vừa và nhỏ chủ yếu sử dụng động cơ diesel tốc độ trung bình và cao. Các tàu dân dụng vừa và lớn chủ yếu sử dụng động cơ diesel tốc độ trung bình và thấp. Tua bin hơi có ưu điểm là công nghệ trưởng thành và đáng tin cậy, khả năng bảo trì tốt và tuổi thọ cao, nhưng nhược điểm của chúng là hiệu quả kinh tế kém và lắp đặt phức tạp. Mặc dù tua bin khí có nhược điểm là tuổi thọ ngắn, nhưng tàu có thể tận dụng tối đa ưu điểm của tua bin khí là có thể khởi động nhanh và đạt được công suất cao trong thời gian ngắn, vì vậy chúng vẫn có triển vọng tốt.

Nhà máy điện hạt nhân sẽ trở thành nguồn năng lượng hàng hải quan trọng. Khi nhiên liệu hạt nhân được lắp đặt, tàu có thể chạy trong nhiều năm. Nó rất phù hợp làm nguồn năng lượng cho tàu lớn và tua bin hơi nước cũng sẽ được sử dụng làm động cơ chính. Động cơ điện sẽ trở thành loại động cơ quan trọng cho tàu trong tương lai. Nó có thể cung cấp điện thông qua pin, máy phát điện được dẫn động bởi động cơ chính và thiết bị phát điện điện hóa như pin nhiên liệu.