TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
HOÀNG ANH DŨNG
BÀI GIẢNG
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC TÀU THỦY
HẢI PHÒNG 2009
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Hoàng Anh Dũng Khai thác hệ động lực tàu thủy
1
Phần I: Khai thác công suất
Chương 1: Đặc tính công tác của diesel tàu thủy và sự phối hợp công tác với chân vịt
1.1. Khái niệm về chế độ làm việc và đặc tính của động cơ
1.1.1. Khái niệm chung
Chế độ làm việc của động cơ được đặc trưng bằng sự tổng hợp các chỉ tiêu, thông số kỹ thuật trong các điều kiện cụ thể lúc
khai thác. Thông thường thông số nào được chọn làm thông số cơ bản thì tên gọi và giá trị của nó sẽ xác tên gọi của chế độ
làm việc.
Ví dụ: Chế độ tốc độ đặc trưng cho sự làm việc của động cơ với giá trị số vòng quay cho trước, còn ở chế độ phụ tải đặc
trưng cho sự làm việc của động cơ với giá trị phụ tải (Pe hoặc Me) cho trước.
Khi giá trị vòng quay hoặc phụ tải được xác định cụ thể thì sẽ có tên gọi chính xác chẳng hạn như: Khi Pe = 0 gọi là độ
làm việc không tải,
Khi n = nmin gọi là chế độ làm việc với vòng quay tối thiểu ổn định.
Ngoài ra với động cơ tàu thủy còn có một số chế độ khai thác đặc biệt trong trường hợp sự cố.
1.1.2. Đặc tính của động cơ diesel tàu thủy
Sự chuyển chế độ làm việc của động cơ trong những điều kiện đã được xác định ta thu được sự thay đổi có tính quy luật
của các thông số động cơ phụ thuộc vào thông số chính mà có thể biểu diễn bằng bảng số, đồ thị hoặc hàm số gọi là đặc
tính động cơ. Đặc tính động cơ dùng để đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật, an toàn tin cậy trong quá trình công tác của động cơ.
Phân loại: Đặc tính động cơ diesel tàu thủy được chia làm 3 loại chính sau:
-Đặc tính công suất (còn gọi là đặc tính tốc độ): Biểu thị sự tập hợp những chế độ tốc độ mà thông số chính là vòng
quay động cơ.
-Đặc tính phụ tải: Biểu thị sự tập hợp những chế độ phụ tải với thông số chính là phụ tải động cơ.
-Đặc tính tổng hợp: Biểu thị sự tập hợp tổng hợp các chế độ (tốc độ và phụ tải) với tốc độ quay của động cơ.
Đặc tính tốc độ còn được chia thành: Đặc tính ngoài, đặc tính chân vịt và đặc tính giới hạn.
1.2. Đặc tính và các chỉ tiêu công tác của diesel tàu thủy
1.2.1. Đặc tính công suất
-Đặc tính biểu thị sự thay đổi các thông số công tác của động cơ theo hàm tốc độ quay hoặc tốc độ tàu gọi là đặc
tính công suất hay còn gọi là đặc tính tốc độ.
-Hàm biểu diễn: Ne = f(n)
Ne = f(v)
Trong đó: Ne là công suất có ích của động cơ, n là tốc độ động cơ, và v là tốc độ tàu.
-Đặc tính công suất chia thành: Đặc tính ngoài và đặc tính chân vịt.
1. Đặc tính ngoài
-Đường đặc tính biểu diễn mối quan hệ giữa các chỉ tiêu công tác của động cơ với số vòng quay của nó khi lượng
cung cấp nhiên liệu cho mỗi chu trình là không thay đổi (dw = const) gọi là đặc tính ngoài.
-Hàm biểu diễn: Ne = f(n)
Me = f(n), vớidw = const
-Xây dựng đặc tính ngoài:
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Hoàng Anh Dũng Khai thác hệ động lực tàu thủy
2
Giả định: Lượng nhiên liệu phun vào động cơ trong mỗi chu trình không đổi (dw=const) và hiệu suất chung của động cơ
không đổi trong phạm vi toàn bộ chế độ tốc độ quay (ho = const) ta có:
0
632,3
H
e
GQ
N
h
= (ml) (1)
Trong đó:
- QH: Nhiệt trị thấp của nhiên liệu sử dụng [Kcal/ kg]
- G : Lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một giờ,G = 60nzdw (kg/h)
- n: tốc độ quay động cơ [v/phút]
- z: Hệ số kì, động cơ 2 kì z = 1, động cơ 4 kì z = 1/2
Thay vào (1) ta có: 0
60
632,3
H
e
zQ
N ndw
h
=(2)
Với một động cơ cụ thể: z, QH không đổi, với giả thiếtho = const,
Ta có thể đặt: C1 = 60zQH
h
o/632,3
Khi đó: Ne = C1ndw (2’)
Từ (2’) ta thấy: Khi duy trì lượng cung cấp nhiên liệu cho mỗi chu trình không thay đổi (dw = const) thì công suất phát ra
của động cơ tỷ lệ bậc nhất với tốc độ quay của nó. Do đó đồ thị đặc tính ngoài sẽ có dạng đường thẳng bậc nhất có dạng
như hình vẽ sau.
Ta thấy rằng khi dw không đổi thì mômen quay có ích và áp suất có ích bình quân cũng không đổi, thật vậy:
Ta có: Ne= Men /716,2
Hay: Me=716,2Ne/n
Thay Ne từ (2’) ta có: Me = 716,2C1dw
Hay: Me = C2dw vớiC2= 716,2C1
Tương tự:Ne = PeSFniz/ 4500
Hay: Pe= 4500Ne/ SFizn
Thay Ne từ (2’) ta có: Pe = (4500/SFiz)C1dw
Hay: Pe = C3dw vớiC3= (4500/SFiz)C1
Khi dw không đổi thì Me và Pe cũng không đổi hay đồ thị của chúng là những đường thẳng song song với trục hoành (0n)
như hình vẽ sau:
N
e
Ne2
0
1
dw
2
= c
onst
A2
dw1= const
A1
d
i
Hình 1.5. Biểu diễn mối quan hệ giữa công suất với vòng quay khi
dw=const.
0A1: Đặc tính ngoài khi dw1=const.
0A2: Đặc tính ngoài khi dw2=const.
d
i: Góc kẹp giữa Ne và n, biểu thị lượng phun nhiên liệu hay mức
độ thay đổi Pe, Me khi dw thay đổi.
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Hoàng Anh Dũng Khai thác hệ động lực tàu thủy
3
Trong thực tế vì hiệu suất động cơ giảm dần theo chiều tăng tốc độ quay nên đường đặc tính ngoài là đường cong, và trong
khai thác chúng được chia thành các đường cơ bản sau:
2. Đặc tính chân vịt
a) Đặc tính chân vịt với động cơ lai chân vịt định bước
-Đặc tính biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công tác của động cơ lai chân vịt với tốc độ quay hoặc tốc độ
tàu khi lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình là thay đổi gọi là đặc tính chân vịt.
-Hàm biểu diễn: Ne= Cnx(4)
Me= C’nx-1
Trong đó: x là số mũ phụ thuộc vào kết cấu vỏ tàu và trang trí hệ động lực. Với một con tàu cụ thể x = const. x=2,5
~3,2 (x = 2,5 với tàu cao tốc như tàu lướt, tàu khách... x = 3,2 đối tàu hàng).
Hình 1.6. Biểu diễn mối quan hệ giữa Me và Pe với vòng quay
khi dw=const.
I: Me, Pe đạt giá trị lớn nhất khi dw = dwmax
II: Me, Pe
đạt giá trị định mức khi dw = dw
n(lượng cung cấp
nhiên liệu đạt giá trị định mức)
III: Me, Pe đạt giá trị nhỏ nhất khi dw = dwmin (lượng cung cấp
nhiên liệu đạt giá trị lớn nhất)
M
e
, P
e
0 n
dw
= dw
max
I
dw = dwnII
dw = dwmin III
N
e
0 nmin nn nmax n
Đư
ờng lí thuyết
N
e
Nmax
Nn
NKT
0 nmin nk nnnmax n
1
2
3
4
Hình 1.7.Đặc tính công suất trong khai thác được chia thành.
1: Đặc tính giới hạn- là đặc tính công suất giới hạn độ bền của động cơ (Ngh)
2: Đặc tính lớn nhất- là đặc tính thể hiện khả năng phát ra công suất lớn nhất của động cơ (Nmax) ở vòng quay lớn nhất.
3: Đặc tính ngoài (đặc tính định mức) - là đặc tính thể hiện khả năng phát ra công suất lớn nhất ổn định, kinh tế nhất
của động cơ (Nn) ở vòng quay định mức.
4: Đặc tính khai thác- là đặc tính công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong quá trình khai thác động cơ (NKT). Thông
thường: NKT =(0,85 ~ 0,95) Nn
5: Đặc tính phụ tải (bộ phận) (Nbf) –là đặc tính công suất khi động cơ phát ra công suất nhỏ hơn công suất khai thác,
thường sử dụng trong điều kiện manơ...
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Hoàng Anh Dũng Khai thác hệ động lực tàu thủy
4
C, C’: là hằng số phụ thuộc tuyến hình vỏ tàu, chân vịt cũng như tình trạng của chúng và điều kiện khai
thác.
-Đặc tính chân vịt được xây dựng bằng phương pháp thực nghiệm:
Để xây dựng được đặc tính chân vịt ta phải giả định rằng lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình là thay đổi và toàn
bộ công suất động cơ phát ra được truyền hết cho chân vịt. Bằng thực nghiệm cho thấy rằng với đa số tàu hàng công tác
độc lập (như tàu biển, tàu sông, tàu không lai kéo... ) có x = 3 nên (4) được viết lại là:
Ne= Cn3(4’)
Me= Cn2
Với một con tàu cụ thể trong một điều kiện khai thác nhất định thì C = const. Nói cách khác trong đặc tính chân vịt quan hệ
công suất vòng quay là quan hệ bậc ba.
Trong thực tế khai thác, điều kiện khai thác luôn thay đổi ví dụ như khi tàu khai thác trong điều kiện sóng gió, vùng có
dòng chảy, vùng biển cạn... Do đó hệ số C thay đổi theo điều kiện khai thác kết quả cho ta một họ các đường đặc tính chân
vịt.
b) Với động cơ lai chân vịt biến bước
Trong thực tế công suất và mô men chân vịt tiếp nhận được phụ thuộc trước tiên vào các thông số hình học, thủy
động học của chân vịt. Khác với chân vịt định bước ở chân vịt biến bước khi làm việc ta có thể thay đổi được thông số hình
học bước chân vịt H (hay thông số không thứ nguyên tỷ số bước H/D). Việc thay đổi tỷ số bước H/D làm cho đặc tính chân
vịt thay đổi.
1.2.2. Đặc tính phụ tải
-Sự phụ thuộc của các chỉ tiêu cơ bản của động cơ vào phụ tải (Ne, Me, hay Pe) khi số vòng quay không thay đổi (n
= const) gọi là đặc tính phụ tải.
-Khi n = const ta có tổn hao cơ giới: Nm = A.n
b
là hằng số, vớiA = Nmn/nn
b
Công suất có ích: Ne = f(Pe)là hàm bậc nhất
Công suất chỉ thị:Ni = Ne + Nm cũng là hàm bậc nhất
N
e
0 n
min
n
C
U
C
0
Cj
Hình 1.8. Biểu diễn mối quan hệ giữa Ne với n khi dw = var trong
các điều kiện khai thác khác nhau.
CU: Đặc tính chân vịt thử tàu tại bến (V = 0)
C0: Đặc tính chân vịt trong điều kiện khai thác bình thường
C
j
: Đặc tính chân vịt khi tàu chạy ballast.
Hình 1.9. Biểu diễn mối quan hệ giữa Ne với n khi động cơ lai
chân vịt biến bước.
H/Dn: Đặc tính chân vịt ứng với tỷ số bước định mức (Chế độ khai
thác kinh tế)
H/Dmax: Đặc tính chân vịt ứng với tỷ số bước lớn nhất (Chế độ khai
thác khó khăn)
H/Dmin: Đặc tính chân vịt ứng với tỷ số bước nhỏ nhất (Chế độ
khai thác thuận lợi)
N
e
0
min
H/D
min
H/D
max
H/D
n
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m