BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ - PHẦN 2 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - CHƯƠNG 6

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:16

Thêm vào BST

Báo xấu

320
lượt xem 103
download

BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ - PHẦN 2 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - CHƯƠNG 6

Mô tả tài liệu

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

TĂNG ÁP DIESEL TÀU THUỶ 6.1 Mục đích của tăng áp cho động cơ diesel tàu thuỷ: 6.1.1 Các phương pháp tăng công suất động cơ diesel tàu thuỷ Cơ sở lý luận của tăng công suất động cơ diesel tàu thuỷ có thể bắt đầu từ các công thức cơ bản tính toán quá trình công tác của động cơ, như sau:

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ - PHẦN 2 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - CHƯƠNG 6

CHƯƠNG 6 TĂNG ÁP DIESEL TÀU THUỶ 6.1 Mục đích của tăng áp cho động cơ diesel tàu thuỷ: 6.1.1 Các phương pháp tăng công suất động cơ diesel tàu thuỷ Cơ sở lý luận của tăng công suất động cơ diesel tàu thuỷ có thể bắt đầu từ các công thức cơ bản tính toán quá trình công tác của động cơ, như sau: - Lượng không khí nạp vào các xy lanh của động cơ Gkk [kg(kk)/công tác]; Gkk = i.Vs .ηn .ρkk (6-1) trong đó: Vs: thể tích công tác xy lanh ηn: hệ số nạp γkk: khối lượng riêng của không khí nạp vào động cơ i: số xy lanh - Lượng nhiên liệu phun vào các xy lanh trong một chu trình Gnl kg(nl)/ ct công tác] Gnl = i.qct (6-2) Trong đó: i:số xy lanh qct: lượng nhiên liệu cung cấp theo chu trình - Hệ số dư lượng không khí α tính cho một chu trình: L α = ct (6-3) qct .Lo - Công suất có ích của động cơ Ne [ ml – mã lực]: pe .D 2 .S .n.i Ne = k. (6-4) m Trong đó: k: hằng số pe: áp suất có ích bình quân D: đườmh kính xy lanh S: hành trình piston n:vòng quay i: số xy lanh m: hệ số kỳ, bằng 1 với động cơ hai kỳ, bằng 2 với động cơ bốn kỳ Các phương án thông thường tăng công suất động cơ có thể bao gồm: - Tăng số xy lanh i hoặc kích thước cơ bản, bao gồm đường kính xy lanh D và hành trình piston S. Khi đó, thể tích công tác của xy lanh Vs = K.785D2.S sẽ tăng lên. - Tăng số vòng quay n (v/p), công suất động cơ cũng có thể cũng sẽ tăng lên. Khi tăng vòng quay, vấn đề khó khăn là tính toán cân bằng động và đảm bảo bôi trơn. http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 86
- Dùng động cơ lai hai kỳ (m = 1), có thể tăng gấp đôi công suất động cơ bốn kỳ (m = 2). Trên thực tế, động cơ hai kỳ có công suất lớn hơn từ 1,6 ÷ 1,8 công suất động cơ bốn kỳ có cùng kích thước cơ bản. Tất cả các phương án đã nêu trên, việc tăng công suất cho động cơ luôn kèm theo việc tăng các kích thước của động cơ đồng thời với việc tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động cơ. Phương án tăng công suất dựa trên công thức (6.4) được đề cập sau đây là phương pháp tăng nhiên liệu tiêu thụ Gm cho động cơ nhưng giữ nguyên kích thước của động cơ, được gọi là tăng áp động cơ. Thuật ngữ “tăng áp” muốn nói đến vấn đề tăng áp suất không khí nạp, nhưng bản chất của vấn đề tăng công suất trong mọi trường hợp là phải tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động cơ. Trên cơ sở công thức (6.4), việc tăng pe sẽ làm tăng công suất có ích của động cơ Ne. Hiệu suất chỉ thị ηi phụ thuộc trực tiếp vào các điều kiện đảm bảo quá trình cháy nhiên liệu, trong đó yếu tố quan trọng là tỷ lệ giữa lượng nhiên liệu và không khí cấp vào xy lanh động cơ. Chính vì vậy, để tăng lượng nhiên liệu cấp vào xy lanh, người ta phài đồng thời tăng lượng không khí cần thiết để đốt cháy nó. Khối lượng riêng của không khí nạp được tính theo công thức: p γ kk = s (6-5) R.Ts Theo công thức (6.5), để tăng lượng không khí nạp, phải tăng áp suất không khí nạp ps, và giảm nhiệt độ Ts Tăng công suất động cơ diesel bằng cách tăng áp suất không khí nạp để đảm bảo hiệu suất cháy toàn bộ lượng nhiên liệu lớn hơn trên cơ sở các kích thước cơ bản của động cơ được gọi một cách đơn giản là tăng áp. Trong các động cơ tăng áp, người tăng áp thường sử dụng máy nén để tăng áp suất và sinh hàn để giảm nhiệt độ không khí nạp cho động cơ. Mức độ tăng công suất của động cơ nhờ tăng áp so với chính động cơ đó trong điều kiện chưa tăng áp được đánh giá bằng hệ số λta gọi là mức độ tăng áp. N eta peta λta = = (6-6) Ne pe Ttrong đó: Ne và Neta là công suất có ích Pe và peta là áp suất có ích bình quân của động cơ chưa tăng áp và động cơ đã tăng áp Đối với các động cơ chế tạo trước những năm 1980, hệ số λta có giá trị phổ biến từ 1.5 ÷ 2. Theo trị số của áp suất có ích bình quân của cac động cơ tăng áp phụ thuộc vào mức độ tăng áp của chúng như sau: Trị số pe (kG/cm2) Mức độ tăng áp Động cơ bốn kỳ Động cơ hai kỳ Thấp 8 ÷ 12 6÷8 http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 87
Vừa 13 ÷ 20 9 ÷ 12 Cao 21 ÷ 30 14 ÷ 26 6.1.2 Các phương pháp tăng áp: Trong động cơ tăng áp, người ta có thể sử dụng máy nén thể tích hoặc cánh dẫn để nén không khí nạp. Máy nén thể tích có thể là máy nén piston, máy nén trục vít, máy nén dùng hốc dưới piston của động cơ …. Các máy nén có thể được truyền động trực tiếp từ động cơ, dùng động cơ điện hoặc dùng tua bin khí xả. Tuỳ theo việc dẫn động máy nén, người ta phân biệt các hình thức tăng áp cơ giới, tăng áp tua bin khí máy nén và tăng áp hỗn hợp. a. Tăng áp truyền động cơ giới Hình 6.1 Động cơ diesel tăng áp cơ giới Máy nén khí thường có thể là máy nén thể tích hoặc máy nén cánh dẫn được truyền động trực tiếp từ động cơ. Sơ đồ khối kết cấu động cơ tăng áp truyền động cơ giới trên hình 6.1, bao gồm: động cơ diesel, cơ cấu truyền động, máy nén khí, sinh hàn gió tăng áp và bầu chứa khí nạp. Tăng áp cơ giới có ưu điểm là đảm bảo được không khí cung cấp cho động cơ khi thay đổi chế độ khai thác động cơ. Nhược điểm của phương pháp là phải chi phí công để dẫn động máy nén, khi công dẫn động máy nén vượt quá 10% công suất chỉ thị thì hiệu quả tăng áp không cao và suất tiêu hao nhiên liệu tăng ge > 180g/(mlci.h). Tính đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, người ta chỉ áp dụng tăng áp cơ giới cho cac động cơ có áp suất tăng áp pk < 1.5 ÷ 1.6 kG/cm2. b. Tăng áp tua bin khí xả lai máy nén: Tăng áp tua bin khí xả lai máy nén là phương pháp dùng tua bin sử dụng năng lượng khí xả lai máy nén gió kiểu ly tâm được gắn đồng trục với roto tua bin. Trên hình 7.2 thể hiện sơ đồ khối động cơ diesel tăng áp bằng tua bin khí máy nén. Khí xả sau khi ra khỏi động cơ có thể qua bộ biến đổi sơ bộ rồi cấp vào tua bin. Công suất động cơ tua bin trực tiếp được sử dụng để dẫn động máy nén gió tăng áp. Không khí nén trước khi cấp vào động cơ có thể được làm mát bằng thiết bị sinh hàn. http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 88
Hình 6.2 Động cơ diesel tăng áp tua bin khí máy nén Tăng áp bằng tua bin khí máy nén đơn thuần nhất cho phép tăng công suất động cơ diesel từ 50 ÷ 70%, tăng hiệu suất động cơ từ 4 ÷ 6%, suất tiêu hao nhiên liệu có ích giảm từ 8 – 13%, nhiệt độ khí xả giảm 50oC. Bằng một số biện pháp cải tiến, tăng áp tua bin khí máy nén có thể tăng công su ấ động cơ từ 2 đến 4 lần. Để chủ động định lượng mức độ tăng áp, người tăng áp có thể trích một phần năng lượng khí cháy trong xy lanh động cơ dành cho tua bin bằng cách tăng góc mở sớm cơ cấu xả. Trong trường hợp này, tua bin khí máy nén là thiết bị tận dụng năng lượng của khí xả. Mặc dù tăng áp bằng tua bin khí máy nén có thể cải thiện được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ nhưng khả năng gia tải của động cơ rất kém. Trên thực tế, các động cơ diesel thường được trang bị các tổ hợp tua bin khí máy nén với nhiều thiết bị phụ trợ, nhiều phương án cải tiến. Các phương án đó có thể kể ra như: bộ biến đổi xung khí xả, ống phun và ống khuyếch tán điều chỉnh được, phối hợp tăng áp cơ giới và tua bin khí máy nén, sử dụng máy nén hốc dưới piston; sử dụng quạt gió phụ hoặc máy nén phụ vào mục đích giảm tải cho tổ hợp tua bin khí máy nén … 6.2 Sử dụng năng lượng khí xả cho tăng áp diesel tàu thuỷ: 6.2.1 Phân bố năng lượng khí xả động cơ diesel Quá trình xả trong động cơ diesel bắt đầu tại thời điểm mở cơ cấu xả (điểm b, hình 6.3). Có hai giai đoạn trong quá trình xả. Giai đoạn thứ nhất là xả tự do diễn ra với tốc độ rất lớn do độ chênh lệch áp suất trong xy lanh và ống góp khí xả. Giai đoạn thứ hai diễn ra dưới tác động của piston hoặc khí quét, với tốc độ lưu động nhỏ hơn. Năng lượng toàn bộ trong khí xả của động cơ E có thể chia làm hai phần: - Năng lượng do giãn nở khí xả từ áp suất pb đến áp suất trong ống góp trước tua bin phụ tải, thành phần này được ký hiệu là E1, tương đương với phần diện tích S (becb). Đây là thành phần năng lượng mang tính chất xung. http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 89
- Năng lượng do giãn nở khí xả trong tua bin khí máy nén từ áp suất phụ tải đến áp suất pOT (sau tua bin). Thành phần này ký hiệu là E2 tương đương với phần diện tích là S(efqpe). Thành phần năng lượng này mang tính chất ổn định. P b Pb ΔV PT POT c e m p n q f V Hình 6.3 Phân bố năng lượng khí xả Tua bin khí xả có thể sử dụng cả hai thành phần năng lượng này tuy nhiên mức độ sử dụng thành phần xung E1 phụ thuộc vào phương pháp tổ chức cấp khí xả đến tua bin. Tuỳ thuộc vào cách tổ chức cấp khí xả đến tua bin, tua bin khí máy nén tăng áp có hai loại: - Tăng áp xung, khí áp suất khí xả trước tua bin thay đổi. - Tăng áp đẳng áp, khí áp suất khí xả trước tua bin ổn định. 6.2.2 Tăng áp xung Hình 6.4 Sơ đồ bố trí hệ thống tăng áp xung Đây là hình thức tăng áp mà tua bin khí xả sử dụng nhiều nhất thành phần năng lượng xung E1. Sử dụng năng lượng xung là sử dụng trực tiếp động năng http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 90
cho việc sinh công của tua bin. Để thực hiện mục đích đó, một số các biệm pháp sau đây được thực hiện: - Tránh giãn nở khí xả sau khi ra khỏi tua bin bằng cách dùng ống xả có kích thước nhỏ, được tính toán trước, tua bin đặt gần xy lanh. - Tăng góc mở sớm xupáp xả tạo xung khí xả lớn. - Tránh sự trùng hợp gây ảnh hưởng lẫn nhau giữa xung của các xy lanh khác nhau, ống xả của các xy lanh thường được chế tạo riêng biệt; sự nối chung đường ống xả với không quá ba xy lanh có thứ tự nổ cách xa nhau. Trên hình 6.4 là sơ đồ tăng áp sử dụng tua bin khí xả lai máy nén kiểu xung. Khí xả được cấp đến tua bin theo hai nhóm xy lanh (số 1, 2, 3 và 4, 5, 6) qua hai đường ống xả có kích thước nhỏ. Các động cơ diesel hai kỳ thấp tốc có thể tận dụng từ 35 ÷ 45% năng lượng xung E1. Các động cơ diesel bốn kỳ đặt nhiều tua bin có thể tận dụng từ 20 ÷ 30% năng lượng E1. 6.2.3 Tăng áp đẳng áp: Trong hệ thống tăng áp đẳng áp, toàn bộ khí xả từ động cơ ra khỏi xy lanh được đưa đến một bình chứa có thể tích lớn. Tại đây, khí xả thực hiện một sự giãn nở nhỏ tăng thể tích ΔV (xem hình 6.5), động năng khí xả chuyển hoá thành nhiệt năng với nhiệt độ cao, áp suất bình ổn trước khi cấp đến tua bin. Trên hình 6.5 biểu diễn sơ đồ tăng áp cấp khí kiểu đẳng áp. Toàn bộ khí xả ra khỏi động cơ được đưa đến bầu góp chung có thể tích tương đối lớn. Từ bầu góp chung này, khí xả được cấp đến tua bin tăng áp. Năng lượng khí xả phân bố trước tua bin là E2 + ΔE2, trong đó ΔE2 là phần năng lượng tương đương với diện tích S(emnfe). Mặc dù không trực tiếp sử dụng xung khí xả, nhưng tăng áp đẳng áp lại có sự cấp khí ổn định cho tua bin. Đây là điều kiện đảm bảo hiệu suất công tác của tua bin rất cao. Hình 6.5 Sơ đồ bố trí hệ thống tăng áp đẳng áp http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 91
6.2.4 Ưu nhược điểm của tăng áp xung và tăng áp đẳng áp Ưu điểm lớn nhất của tăng áp xung là việc sử dụng trực tiếp xung năng lượng khí xả, đó chính là động năng rất lớn của khí xả trong giai đoạn xả tự do. Chính vì thế, tốc độ của tua bin tăng rất nhanh và có khả năng cung cấp đủ khí cho diesel ngay cả khi động cơ hoạt động ở chế độ nhỏ tải. Tính tăng tốc của động cơ sử dụng tăng áp đẳng áp rất tốt. Tuy nhiên, nhược điểm của tăng áp xung là hiệu suất công tác của tua bin rất kém. Do cần tạo xung, góc mở sớm xupáp xả tăng lên ảnh hưởng đến công suất chỉ thị của động cơ. Tính hiệu quả của tăng áp xung càng giảm khi áp suất tăng áp càng lớn. Ngoài ra, kết cấu của hệ thống cũng phức tạp hơn. Ngược lại với tăng áp xung, tăng áp đẳng áp có hiệu quả sử dụng năng lượng của tua bin rất cao. Tăng áp đẳng áp không đòi hỏi tăng góc mở sớm do đó tăng được công suất chỉ thị động cơ. Tăng áp đẳng áp đảm bảo tính kinh tế rất cao của động cơ, đặc biệt là các động cơ có mức độ tăng áp lớn khi hoạt động ở chế độ toàn tải. Nhược điểm lớn nhất của nó là tính tăng tốc của động cơ rất kém. Đối với động cơ hai kỳ khi hoạt động ở chế độ phụ tải thì không có khả năng quét khí cho xy lanh. Trong trường hợp này, hệ thống tăng áp thường phải trang bị thêm quạt gió phụ. 6.3 Sự thay đổi các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ khi tăng áp 6.3.1 Sự thay đổi hiệu suất cơ giới của động cơ tăng áp So với động cơ không tăng áp, các động cơ tăng áp có các thông số chỉ thị ηi và gi thay đổi nhiều nhưng các thông số có ích ηe và ge lại thay đổi nhiều hơn. Tính chất thay đổi của các thông số có ích ηe và ge là do sự thay đổi của hiệu suất cơ giới gây ra. Tính chất thay đổi hiệu suất cơ giới phụ thuộc vào hệ thống tăng áp, trong đó, công tổn hao cho ma sát là một hàm phụ thuộc vào vòng quay động cơ. Giả sử động cơ trước và sau tăng áp có số vòng quay khai thác như nhau, khi đó, hiệu suất cơ giới của động cơ tăng áp được tính như sau: N eTA N eTA η mTA = = (6-7) N iTA N eTA + N m + N MN + NTB trong đó: NMN: là công suất chi phí cho lai máy nén NTB : là công suất của tua bin N eTA Gọi mức độ tăng áp của động cơ diesel là: λTA = ; công suất tương đối Ne N MN N của máy nén: δ MN = và của tua bin: δ TB = TB so với công suất chỉ thị khi Ni Ni chưa tăng áp. Biến đổi công thức (6.7) và nếu coi như công suất tua bin truyền hết cho máy nén: N MN = NTB , ta có: λTA .η m η mTA = (6-8) η m .(λTA − 1) + 1 Ví dụ: Khi λTA = 1,5 ; η m = 0,8 thì η mTA = 0,858 tức là ηmTA tăng lên 0,058 (tức 5.8%) http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 92
NTB Với động cơ tăng áp cơ giới, khi đó: δ TB = = 0 , trong trường hợp này: Ni λTA .η m η mTA = (6-9) η m .(λTA − 1) + 1 + δ MN Khi đó, hiệu suất cơ giới sau khi tăng áp phụ thuộc vào sự thay đổi của λTA và δ MN . Ví dụ : khi λTA = 1,5;ηm = 0,8;δ MN = 0,1 tức là ηmTA không thay đổi. Nhưng nếu tăng tiếp tục λTA sẽ làm cho δ TA tăng lên và ηmTA giảm xuống. 6.3.2 Sự thay đổi tỷ số tăng áp suất λ khi tăng áp Khi tăng áp, vấn đề cần quan tâm là ứng suất cơ của động cơ, trong đó, tỷ số pz λ= là thông số đánh giá mức độ làm việc nhẹ nhàng, tin cậy với ứng suất cơ pC thấp. Từ công thức tính nhiệt lượng cháy đẳng tích: QZ 1 = G.C1.(TZ 1 − TC ) (6.10) trong đó: G: là lượng không khí (nạp) trong xy lanh (kg) Cv: là nhiệt dung riêng đẳng tích Trong quá trình cháy đẳng tích CZ1 tăng áp có: pZ 1 pZ TZ 1 =λ (6-11) = = pC pC TC Kết hợp (6.10) và (6.11), rút ra: TZ 1 QZ 1 λ= (6-12) = +1 TC G.C1.TC pZ Từ (6.12), khi tăng lượng không khí nạp G, tỷ số tăng áp suất λ = sẽ pC giảm xuống. Ngoài ra, trong các động cơ tăng áp, việc tăng áp suất không khí nạp pa làm giảm thời gian chuẩn bị cháy, làm giảm tỷ số tăng áp suất λ. 6.4 Tăng áp động cơ diesel bốn kỳ Việc chuyển một động cơ sang tăng áp lần đầu tiên được áp dụng cho diesel bốn kỳ. Ngoài việc lắp đặt tổ hợp tua bin khí máy nén và làm mát không khí nạp, động cơ có tăng áp sẽ phải có một số thay đổi như sau: - Thay đổi các thiết bị cung cấp nhiên liệu (bơm cao áp, vòi phun) để tăng lượng phun nhiên liệu cho chu trình. - Thay đổi góc độ của pha phối khí và tăng kích thước của cơ cấu phân phối khí (xu páp hút và xả) để đảm bảo lưu lượng không khí lớn hơn đi qua động cơ. - Động cơ có tăng áp phải thiết kế lại để đảm bảo độ bền cơ nhiệt phù hợp với điều kiện làm việc nặng nề hơn. http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 93
- Do có các hành trình bơm riêng biệt, động cơ bốn kỳ làm việc không hoàn toàn phụ thuộc vào quá trình quét khí, nhờ chênh lệch áp suất không khí nạp và khí xả. Trên hình 6.6, khi phụ tải động cơ khoảng trên 30%, áp suất tăng áp lớn hơn áp suất khí xả: ps > px. Khi động cơ làm việc ở chế độ nhỏ tải hơn 30%, áp suất khí xả nhỏ hơn áp suất không khí tăng áp và khi đó chế độ quét khí xy lanh động cơ giai đoạn các xupáp mở trùng pha là không có. Tuy nhiên, nhờ các hành trình bơm mà động cơ vẫn có thể nạp không khí đủ cho quá trình cháy nhưng chất lượng cháy sẽ kém đi. Hình 6.6 Sự thay đổi thông số hệ thống tăng áp động cơ bốn kỳ theo phụ tải 6.5 Tăng áp động cơ diesel hai kỳ Tăng áp cho động cơ hai kỳ phức tạp hơn rất nhiều so với động cơ bốn kỳ do các đặc điểm sau đây: - Phải bảo đảm độ chênh áp suất Δp = ps – px > 0 trong tất cả các chế độ khai thác. Trong trường hợp ngược lại, động cơ sẽ dừng hoạt động do khả năng quét và nạp không khí chấm dứt. - Hệ số dư lượng không khí quét của động cơ hai kỳ đòi hỏi lớn hơn động cơ bốn kỳ (đ/c hai kỳ ϕ a = 1,45 ÷ 1,65 ; đ/c bốn kỳ ϕ a = 1,07 ÷ 1,35 ) do đó động cơ hai kỳ đòi hỏi lưu lượng không khí do máy nén cung cấp lớn hơn. Vì vậy, công suất tiêu thụ của máy nén cao hơn. - Khi áp suất chỉ thị bình quân bằng nhau, nhiệt độ khí xả động cơ hai kỳ thường thấp hơn động cơ bốn kỳ (đ/c hai kỳ: t kx = 3500 ÷ 4500 C; đ/c bốn kỳ: t kx = 4500 ÷ 5000 C). Đây cũng là khó khăn gặp phải khí tăng công suất của tua bin. - Khi tăng áp, ứng suất nhiệt và ứng suất cơ của các động cơ hai kỳ thường cao hơn so với động cơ bốn kỳ. http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 94
Chính vì vậy, hệ thống tăng áp của động cơ hai kỳ thường phức tạp hơn rất nhiều so với động cơ bốn kỳ. Sự khác nhau về thiết kế, trang bị phụ thường gặp trong các động cơ hai kỳ có thể bao gồm: - Các thiết kế được tính toán, thử nghiệm chặt chẽ hơn nhằm đảm bảo hiệu suất cao của cả tua bin và máy nén. Các động cơ hai kỳ thấp tốc, công suất lớn thường trang bị tổ hợp tua bin khí xả tăng áp đẳng áp. - Trang bị các thiết bị phụ, tự động điều chỉnh (các ống phun và ống khuyếch tán xoay được…) nhằm phục vụ động cơ khi làm việc ở chế độ phụ tải nhỏ. - Các thiết bị giảm mất mát không khí nạp (đặc biệt khí ở pha tổn thất khí nạp) như van bướm gió, van một chiều… - Quạt gió phụ để bổ sung không khí nạp và giảm tải máy nén. 6.6 Làm mát không khí tăng áp Cùng với việc tăng áp suất, vấn đề làm mát không khí tăng áp quyết định rất lớn đến việc tăng lượng không khí nạp và do đó, đến công suất động cơ. Pe 1 2 3 Pk/Po 1.5 2.0 2.5 Hình 6.7 Quan hệ áp suất tăng áp và áp suất có ích bình quân 1. làm mát đến 250 C; 2. làm mát đến 300 C; 3. không làm mát Hình 6.7 cho ta mối quan hệ giữa áp suất có ích bình quân pe và mức độ tăng áp khi có làm mát, làm mát kém và không làm mát. Bên cạnh đó, làm mát không khí tăng áp còn làm giảm ứng suất nhiệt của động cơ. Tuỳ thuộc vào mức độ tăng áp, nhiệt độ làm mát thường được quy định cao hơn nhiệt độ ngưng tụ hơi nước trong không khí. Khi khai thác thiết bị làm mát không khí tăng áp, định kỳ phải xả nước ngưng tụ. Các thiết bị làm mát không khí tăng áp thường dùng cho tàu thuỷ là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu thu hồi nhiệt, kiểu bay hơi và kiểu giãn nở trong tua bin. Thiết bị và dụng cụ đo, chỉ báo thường dùng là nhiệt kế đo nhiệt độ vào và ra của không khí và nước. Thiết bị đo sức cản bằng độ chênh lệch cột áp lối vào http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 95
và lối ra của bầu làm mát. Độ chênh quy định đối với bầu làm mát không khí tăng áp thường trong khoảng 20 ÷ 25 cm cột nước. 6.7 Kết cấu tổ hợp tuabin khí máy nén tăng áp diesel tàu thuỷ 6.7.1 Nguyên lý hoạt động Tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp được chế tạo nhằm mục đích sử dụng năng lượng của khí xả để lai máy nén cung cấp không khí nạp với áp suất cao cho động cơ. Trên hình (6.8) mô tả nguyên lý hoạt động của tổ hợp tua bin khí máy nén. Khí xả động cơ disel được cấp vào tua bin theo đường khí xả vào (exhaust gas in), sau khi qua cụm ống phun được biến đổi năng lượng thành động năng, thổi vào cánh tua bin để quay rotor tua bin (turbine rotor) rồi thoát ra ngoài qua đường dẫn khí thoát (exhaust gas out). Cánh máy nén được gắn đồng trục với rotor tua bin, khi quay sẽ hút không khí qua phin lọc trên đường vào (air in), qua bộ cánh máy nén (compressor), không khí được đẩy vào buồng nén kiểu ống xoắn tăng áp (compressed air out). Đường khí xả thoát ra khỏi tổ hợp tua bin máy nén được nối với đường ống xả ra ngoài, đường không khí nén được nối với ống nạp động cơ diesel. Rotor tua bin được quay trên hai ổ đỡ kiểu vòng bi hoặc bạc. Hình 6.8 Nguyên lý hoạt động tổ hợp tua bin khí máy nén 6.7.2 Kết cấu tua bin khí máy nén http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 96
Kết cấu tổ hợp tua bin khí máy nén dùng cho tăng áp động cơ diesel tàu thuỷ (hình 6.9) có thể chia thành các phần: thân tua bin (bao gồm thân phía tua bin, thân phía máy nén và thân giữa), roto có gắn trên đó cánh tua bin và cánh máy nén, thiết bị tăng hiệu suất công tác (phía khí xả: bộ biến đổi xung, ống phun; phía máy nén: cánh hướng không khí vào, ống khuyếch tán, khoang khuyếch tán), bạc đỡ hoặc vòng bi, thiết bị làm kín, thiết bị giảm chấn, thiết bị bôi trơn, … Trong một số tua bin khí máy nén, thiết bị bị tăng hiệu suất công tác còn có thể tự động điều chỉnh được. 1. Thân tua bin. Thân tua bin có 3 phần: Thân tua bin 7 bao gồm: đường nhận khí xả, đưa khí xả đến cụm ống phun để biến đổi năng lượng thành động năng trên cụm ống phun 6 trước khi vào bánh cánh công tác 5 gắn trên trục roto tua bin. Thân tua bin còn chứa cụm ổ đỡ kiểu vòng bi 2 (hoặc bạc) đầu trục rotor phía tua bin. Khoang trong của cụm ổ đỡ còn là nơi chứa ( hoặc góp) dầu bôi trơn. - Thân phía máy nén cũng bao gồm đường vào và ra của không khí nén trong đó cụm cánh khuyếch tán biến đổi động năng thành áp năng trước khi đưa vào ống xoắn tăng áp 4. Thân máy nén cũng có khoang chứa cụm ổ đỡ kiểu vòng bi 2 (hoặc bạc) đầu trục rotor phía máy nén và là nơi chứa hoặc gom dầu bôi trơn. - Thân giữa, là đường thoát khí xả, còn là chân bệ và là thân trung gian liên kết các phần tua bin và thân máy nén thành một khối. Thân giữa còn là nơi đặt vách ngăn trung gian nhằm phân biệt và cách nhiệt giữa không khí và khí xả. Các phần thân giữa và thân tua bin chịu nhiệt độ cao của khí xả do đó, thường có các khoang làm mát với công chất là nước làm mát của động cơ. Hình 6.9 Kết cấu tua bin khí máy nén http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 97
2. Rotor Rotor tua bin là phần quay, có gắn các bánh cánh tua bin 5 và cánh máy nén 3. Trên cả hai đầu rotor và bánh cánh máy nén có gắn các vành thép mỏng để tạo bộ làm kín kiểu khuất khúc, trong đó thiết bị : - Bộ làm kín tua bin có mục đích làm kín khoang dầu bôi trơn với khí xả. - Bộ làm kín phía máy nén có mục đích làm kín khoang dầu bôi trơn với khu vực không khí nén. - Trên cánh máy nén (phía tua bin) tạo với vách ngăn trung gian bộ làm kín, nhằm mục đích tăng cường làm kín, đặt trong thân giữa của tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp. 3. Thiết bị tăng hiệu suất công tác Các thiết bị làm tăng hiệu suất các quá trình công tác của tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp, bao gồm : - Thiết bị tăng hiệu suất công tác phía khí xả, bao gồm : bộ biến đổi xung và ống phun 6 (hình 6.9). Bộ biến đổi xung bố trí ngay trên hệ thống ống góp khí xả sau động cơ diesel. Tuỳ thuộc vào đặc điểm hệ thống tăng áp, bộ biến đổi xung có thể là bộ tạo xung động năng (tăng áp xung) hoặc bộ tích trữ thế năng (tăng áp đẳng áp). Cụm ống phun đặt sau hệ thống ống góp khí xả, ngay trước cánh công tác của rotor tua bin, nhằm mục đích biến đổi thế và nhiệt năng khí xả thành động năng thổi vào cánh công tác của tua bin. - Thiết bị tăng hiệu suất công tác phía không khí, bao gồm: cánh hướng dòng không khí vào, ống khuyếch tán 4 (hình 6.9). Cánh hướng dòng không khí vào cánh máy nén, nhằm mục đích ổn định dòng chảy của không khí vào cánh máy nén. Cụm ống khuyếch tán cũng đặt trên thân máy nén, cùng với ống xoắn tăng áp, biến đổi động năng dòng không khí ra khỏi cánh máy nén thành áp năng. 4. Bạc đỡ, vòng bi và bộ giảm chấn Thiết bị làm giảm ma sát cơ khí khi rotor quay, chống dịch chuyển dọc trục, giảm rung động, bao gồm vòng bi (hoặc bạc) và bộ giảm chấn. - Bạc đỡ : bao gồm hai loại bạc đỡ và bạc chặn (hình 6.9) - Vòng bi : bao gồm hai loại bạc đỡ và bạc chặn (hình 6.9) - Bộ giảm chấn : các lá thép mỏng có thấm dầu đặt bao quanh vòng bi trong ổ đỡ. Bộ giảm chấn cho phép giảm các chấn động, bảo vệ vòng bi khỏi các hư hỏng do rung động gây nên. 5. Dầu bôi trơn Tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp có thể áp dụng các hình thức bôi trơn cho vòng bi (hoặc bạc), bao gồm: hệ thống độc lập với bơm độc lập, dùng khoang dầu với bơm dầu do rotor tua bin lai. - Hệ thống dầu bôi trơn độc lập bao gồm các két, các bơm dầu độc lập, các van và đường ống … http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 98
- Dùng khoang dầu độc lập như hình 6.9, trong đó bố trí các bơm dầu đầu trục do chính rotor lai. - Một số loại tua bin tăng áp cỡ nhỏ có thể dùng chung dầu với hệ thống bôi trơn động cơ. 6.8 Khai thác tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp 6.8.1 Các thiết bị đo và chỉ báo. a. Nhiệt kế - Nhiệt kế đo nhiệt độ khí xả vào và ra tua bin. - Nhiệt kế đo nhiệt độ không khí sau máy nén, vào và ra sinh hàn khí tăng áp. - Nhiệt kế đo nhiệt độ nước làm mát vào và ra sinh hàn không khí tăng áp. b. Đồng hồ áp suất - Các áp kế đo áp suất không khí tăng áp. - Các áp kế đo áp suất dầu bôi trơn. - Các áp kế đo áp suất nước làm mát. c. Đo sức cản thuỷ lực - Thiết bị ống chữ U do độ chênh cột áp lối vào và ra của phin lọc không khí vào máy nén. - Thiết bị ống chữ U do độ chênh cột áp lối vào và lối ra của bầu làm mát không khí tăng áp. d. Đo vòng quay - Thiết bị đo vòng quay rotor tua bin. 6.8.2 Vận hành, khai thác tổ hợp diesel tua bin khí máy nén tăng áp. a. Chuẩn bị - Kiểm tra trạng thái sẵn sàng hoạt động. - Kiểm tra mức dầu trong hốc (loại VTR) hoặc trong két chứa và két trọng lực (loại MET). - Mở van xả đáy trong tua bin, trong hốc xả sinh hàn, trong ống nạp. - Kiểm tra các thiết bị đo, chỉ báo. b. Theo dõi hoạt động - Kiểm tra theo dõi các thông số, đặc biệt là vòng quay tua bin và áp suất tăng áp. Sự thay đổi các thông số phải phù hợp với sự thay đổi chế độ hoạt động của động cơ. - Kiểm tra, theo dõi sự bôi trơn trong tua bin khí máy nén. - Kiếm tra, theo dõi sự rung động, tiếng ồn của tua bin khí máy nén. - Nếu các thiết bị phụ trợ không hoạt động tự động thì cần phải đưa chúng vào hoạt động kịp thời. c. Ho máy nén và xử lý http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 99
Ho máy nén (như quen gọi là ho tua bin) có rất nhiều nguyên nhân: - Nguyên nhân tiềm ẩn là do chất lượng quá trình cháy trong các xy lanh của động cơ và tình trạng kỹ thuật của tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp. - Nguyên nhân trực tiếp do sóng gió làm thay đổi tải và vòng quay máy chính ở mức độ tương đối lớn khi thời tiết xấu. Khi vòng quay động cơ tăng, lưu lượng không khí nạp vào xy lanh tăng làm giảm áp suất đối áp trên máy nén. Trong khi đó, do quán tính của rotor, vòng quay máy nén giữ nguyên làm cho tốc độ dòng không khí qua máy nén tăng đột ngột. Lưu lượng gió tức thời tăng làm đặc tính sức cản tuyến nạp tăng lên. Ngay sau đó, vòng quay động cơ giảm xuống làm giảm lưu lượng của máy nén, đưa điểm làm việc của máy nén từ điểm D (vốn đã rất gần điểm giới hạn ho C) về điểm giới hạn ho C (hình 6.10). Tại điểm C, máy nén chưa ho. Tuy nhiên, nếu cường độ quá trình nói trên quá lớn, hệ thống không dừng ở điểm C mà chuyển tiếp vầ điểm B có lưu lượng âm, dòng không khí nạp đi ngược từ hệ thống nạp ra ngoài qua cánh máy nén. Điều này có thể xem như một sóng áp suất ngược từ ống góp không khí nạp ra môi trường. Theo đặc tính công tác của hệ thống, đặc tính sức cản giảm đột ngột làm tăng lưu lượng của máy nén (từ A về B). Do cường độ của quá trình, sự thay đổi lưu lượng và cột áp không dừng ở điểm B mà chuyển từ B về D. Sự thay đổi đột ngột của các yếu tố: cột áp từ dương sang âm, lưu lượng từ dương, bằng không rồi sang âm, dòng chảy vào, đứng yên rồi trào ngược ra ngoài máy nén làm máy nén và tổ hợp phát âm thanh dữ dội, rung động mạnh gọi là ho máy nén. Để chống ho, hãy xả bớt gió tăng áp, giảm tay ga, chạy quạt gió phụ, … nếu có điều kiện hãy kiểm tra lại tổ hợp tua bin máy nén, vòi phun bơm cao áp, các xu páp… Hình 6.10 Đặc tính làm việc của máy nén khi ho. http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 100
Câu hỏi ôn tập chương: 1. Trình baøy treân ñoà thöùc troøn caùc goùc ñoä môû sôùm, ñoùng muoän cuûa xupaùp xaû, naïp, xupaùp khôûi ñoäng vaø goùc caáp nhieân lieäu ôû ñoäng cô boán kyø taêng aùp cao. 2. Trình baøy, veõ sô ñoà nguyeân lyù caùc kieåu queùt khí ñoäng cô Diesel hai kyø? 3. Caùc phöông phaùp taêng aùp cho ñoäng cô Diesel? 4. Caùc kieåu queùt khí söû duïng trong ñoäng cô diesel hai kyø. Trò soá thôøi gian tieát dieän laø gì? 5. Trình baøy caùc phöông phaùp veä sinh tua bin, maùy neùn khi ñoäng cô ñang hoaït ñoäng, caàn löu yù gì khi röûa tua bin baèng nöôùc? 6. Moâ taû coù hình veõ : - Moät heä thoáng tua bin taêng aùp xung. - Moät heä thoáng tua bin taêng aùp ñaúng aùp 7. Neâu aûnh höôûng cuûa taêng aùp tôùi caùc thoâng soá cuûa ñoäng cô. 8. Trình baøy hieän töôïng maát oån ñònh toå hôïp tua bin- maùy neùn, neâu nguyeân nhaân vaø bieän phaùp khaéc phuïc? 9. Trình baøy sơ đồ tua bin taêng aùp vaø neâu ñaëc ñieåm cuûa hai loaïi tua bin xung löïc vaø ñaúng aùp. 10.Neâu caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán khaû naêng taêng aùp cuûa heä thoáng taêng aùp? 11.So saùnh heä thoáng taêng aùp ñaúng aùp vaø xung aùp, caùch nhaän bieát thöïc teá treân ñoäng cô, öùng duïng trong thöïc teá? 12.Trình baøy sô ñoà taêng aùp hoãn hôïp song song thöôøng aùp duïng treân taøu thuyû? 13.Trình baøy sô ñoà taêng aùp hoãn hôïp nối tiếp thöôøng aùp duïng treân taøu thuyû? 14.Trình baøy caùc phöông phaùp taêng aùp cho ñoäng cô, ñaëc ñieåm taêng aùp trong ñoäng cô Diesel hai kyø? 15.Baûo döôõng toå hôïp tua bin - maùy neùn caàn laøm gì, caùc löu yù khi veä sinh TB- MN maø ñoäng cô ñang hoaït ñoäng? http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 101