Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất động cơ diesel tàu thủy

Chia sẻ: ViJenlice ViJenlice | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:153

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án trình bày tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua bin tăng áp đến động cơ diesel tàu thủy; Cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu ảnh hưởng của ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy; Mô phỏng ảnh hưởng của ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật động cơ diesel tàu thủy đang khai thác.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất động cơ diesel tàu thủy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM NCS. NGUYỄN QUANG VINH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP.HCM – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM NCS. NGUYỄN QUANG VINH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Bùi Hồng Dương 2. PGS.TSKH. Đỗ Đức Lưu TP.HCM – 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Nguyễn Quang Vinh – là tác giả luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất động cơ diesel tàu thủy”, dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn khoa học: TS. Bùi Hồng Dương và PGS.TSKH. Đỗ Đức Lưu. Bằng danh dự của bản thân, tôi xin cam đoan rằng: Luận án là công trình nghiên cứu riêng của riêng tôi, không có phần nội dung nào được sao chép một cách bất hợp pháp, từ công trình nghiên cứu của tác giả hay nhóm tác giả khác; – Các số liệu kết quả nghiên cứu được nêu trong luận án, chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác trước đó; – Các thông tin, số liệu trích dẫn, tài liệu tham khảo trong luận án đều được chỉ rõ về xuất xứ, nguồn gốc và đảm bảo tính trung thực./. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Nguyễn Quang Vinh
ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Tp.Hồ Chí Minh đã cho phép và tạo điều kiện cho tác giả thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và tri ân đến tập thể hướng dẫn, TS. Bùi Hồng Dương và PGS.TSKH. Đỗ Đức Lưu đã hướng dẫn tận tình suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Tác giả cũng bày tỏ lòng biết ơn đến TS.Lê Văn Vang đã có những ý kiến đóng góp quý báu trong luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn Viện Đào Tạo Sau Đại Học, Viện Hàng Hải, các khoa, các phòng ban đã tạo điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình học tập nghiên cứu tại trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Tp.Hồ Chí Minh. Xin cảm ơn Viện Nghiên Cứu KH&CN Hàng Hải, Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam, Công ty CP Vận tải biển GLS đã tạo điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành chương trình thực nghiệm. Tác giả trân trọng tiếp thu và cảm ơn các ý kiến đóng góp, nhận xét của các nhà khoa học, các chuyên gia, các giảng viên, các cán bộ công nhân viên và đồng nghiệp trong và ngoài nhà trường. Tác giả cũng bày tỏ lòng cảm ơn đến lãnh đạo, chỉ huy và các đồng nghiệp tại Trường CĐ Hải Quân, Trường Sĩ Quan Kỹ Thuật Quân Sự đã tạo điều kiện tốt nhất để tác giả an tâm học tập, nghiên cứu. Đồng thời, tác giả cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua trở ngại khó khăn để hoàn thành luận án.
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................... ii MỤC LỤC ..............................................................................................................................iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .........................................................................................viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................................... ix MỞ ĐẦU ................................................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của luận án ....................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ....................................... 3 4. Phương pháp nghiên cứu của luận án ..................................................... 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ............................................. 4 6. Những đóng góp mới của luận án ........................................................... 4 7. Bố cục của luận án .................................................................................. 5 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY ........................................................ 6 1.1. Tổng quan về nâng cao công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy bằng phương án tăng áp .................................................................... 6 1.2. Sự suy giảm công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản theo quá trình khai thác của động cơ diesel tàu thủy ...................................................................... 11 1.3. Sự thay đổi điểm công tác (tải – mô men và vòng quay) của động cơ diesel tàu thủy .......................................................................................................... 13 1.4. Ống phun trong tua bin tăng áp.......................................................... 16 1.5. Tình hình nghiên cứu về tua bin tăng áp và ống phun ....................... 18 1.6. Đặt bài toán và phương hướng nghiên cứu ........................................ 27 1.7. Kết luận chương 1 .............................................................................. 29
iv Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT VÀ CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY ......................................................................................... 30 2.1. Giới thiệu............................................................................................ 30 2.2. Chu trình công tác động cơ diesel 4 kỳ.............................................. 30 2.3. Mô hình nhiệt động dòng khí qua máy nén ....................................... 36 2.4. Mô hình nhiệt động dòng khí qua tua bin .......................................... 40 2.5. Quan hệ tua bin và máy nén ............................................................... 53 2.6. Phối hợp công tác động cơ và tua bin tăng áp ................................... 54 2.7. Các chỉ tiêu công tác của động cơ...................................................... 56 2.8. Phương pháp xử lý số liệu trong mô phỏng và thực nghiệm ............. 57 2.9. Kết luận chương 2 .............................................................................. 58 Chương 3. MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT VÀ CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY ĐANG KHAI THÁC ............................................................................................................. 59 Giới thiệu ................................................................................................ 59 Sơ đồ thuật toán dùng trong mô phỏng quá trình công tác tổ hợp động cơ – tua bin tăng áp....................................................................................................... 59 Phương pháp đánh giá độ chính xác của mô hình mô phỏng ................ 63 Lựa chọn phần mềm mô phỏng .............................................................. 65 Mô phỏng tổ hợp động cơ và tua bin tăng áp Deutz 226B .................... 66 Mô phỏng tổ hợp động cơ và tua bin tăng áp MAK43 .......................... 85 Kết luận chương 3 .................................................................................. 94 Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ....................................................................... 95 4.1. Giới thiệu............................................................................................ 95 4.2. Nghiên cứu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm ................................. 96
v 4.3. Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ diesel tàu thủy đang khai thác 108 4.4. Kết luận chương 4 ............................................................................ 113 KẾT LUẬNVÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................................. 115 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................... 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 121 Phụ lục 01. Các thông số kỹ thuật của động cơ Deutz 226B tại Phòng thí nghiệm động cơ – Viện Khoa học và Công nghệ Hàng hải. .......................................................................... 128 Phụ lục 02. Hình ảnh thí nghiệm tại phòng thí nghiệm .................................................. 129 Phụ lục 03. Các kết quả thử nghiệm động cơ MAK 43 tại nhà máy sản xuất ................ 131 Phụ lục 04. Kết quả kiểm tra công suất động cơ trên tàu ................................................ 134 Phụ lục 05. Hình ảnh thực nghiệm trên tàu ..................................................................... 137 Phụ lục 06. Xác nhận của đơn vị chủ quản tàu ............................................................... 139
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa A m2 Diện tích, tiết diện ap , ad , – Các thông số hiệu chỉnh quá trình cháy mp,md AT m2 Tiết diện ống phun cp,cv J/kg.K Nhiệt dung riêng đẳng áp, đẳng tích ge g/kW.h Suất tiêu hao nhiên liệu có ích icyl – Số xy lanh Jt kg.m2 Mô men quán tính cụm tăng áp k – Tỷ số nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích (cp/cv) ka, ke Tỷ số nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích của khí nạp, khí xả ṁ kg/s Lưu lượng khối lượng n2 – Hệ số mũ đa biến quá trình giãn nở ne,nt v/ph Tốc độ vòng quay động cơ, tua bin p N/m2, bar Áp suất Áp suất khí nạp, áp suất cuối quá trình nén, áp suất ps, pc,pz N/m2, bar cháy cực đại P kW Công suất Pc kW Công suất có ích MN Pt kW Công suất có ích TB QH J/kg Nhiệt trị thấp của nhiên liệu Ra, Re J/kg.K Hằng số khí nạp, khí xả Raf – Tỷ số không khí/nhiên liệu Rbs – Tỷ số tốc độ cánh T K Nhiệt độ U, C m/s Vận tốc uf g/chu trình Nhiên liệu cấp vào trong 1 chu trình công tác ut % Độ mở ống phun V m3 Thể tích W, Ẇ J, W Công, Công suất t độ Góc mở ống phun  – Hệ số nhiên liệu cháy đẳng tích  – Tỷ số nén của động cơ diesel e, gh  % Sai lệch, Giới hạn của sai lệch c – Hệ số dòng chảy của máy nén r – Hệ số khí sót của động cơ diesel  – Hiệu suất của động cơ diesel  rad, độ Góc quay trục khuỷu
vii Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa s độ Góc bắt đầu cháy của nhiên liệu c – Tỷ số tăng áp khí nạp qua máy nén (p2/p1) t, t ,noz Tỷ số giãn nở của khí xả qua tua bin (p3/p4) và OP – (p3’/p3) t  t ,noz – Nghịch đảo của tỷ số giãn nở t , t ,noz  kg/m3 Khối lượng riêng  rad/s Vận tốc góc c – Hệ số chuyển hóa năng lượng của máy nén Các chỉ số dưới: Ký hiệu Ý nghĩa a Cuối quá trình nạp (pa, Ta …) c Cuối quá trình nén (pc, Tc…) e Thông số trung bình (pe) f Nhiên liệu s Trước xupáp nạp (ps, Ts…) i Thông số chỉ thị (pi, Ti, Pi…) r Cuối quá trình xả (pr, Tr…) w Thông số có ích (Pw) Các chữ viết tắt Viết tắt Tiếng Anh Ý nghĩa CFD Computational fluid Lý thuyết động lực học chất lưu dynamics DAQ Data acquisition Bộ thu thập dữ liệu ĐCT Điểm chết trên của động cơ diesel ĐCD Điểm chết dưới của động cơ diesel GQTK Góc quay trục khuỷu MDE Marine diesel engine Động cơ diesel tàu thủy MN Máy nén MVEM Mean value engine model Mô hình giá trị trung bình OP Ống phun trong tua bin tăng áp PC Personal computer Máy tính cá nhân TB Tua bin TBTA Tổ hợp tăng áp bằng tua bin khí xả
viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Tỷ lệ chuyển hóa năng lượng của động cơ diesel [92] ............................. 6 Bảng 3.1. Danh sách thông số đầu vào cho mô phỏng ........................................... 61 Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật chính của động cơ và Tua bin tăng áp [90] ............. 67 Bảng 3.3. Đánh giá kết quả mô phỏng động cơ Deutz 226B .................................. 78 Bảng 3.4. Các thời điểm đặc biệt trên đồ thị áp suất trên Hình 3.16 (Quy ước vị trí piston tại ĐCT tương ứng với góc quay trục khuỷu bằng 0) .................................. 79 Bảng 3.5. Các thời điểm đặc biệt trên đồ thị áp suất trên Hình 3.17 (Quy ước vị trí piston tại ĐCT tương ứng với góc quay trục khuỷu bằng 0). ................................. 80 Bảng 3.6. Sự thay đổi công suất, Pw=f(LI, ut) ......................................................... 82 Bảng 3.7. Sự thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích, ge= f(LI, ut) ........................ 82 Bảng 3.8. Sự thay đổi áp suất khí nạp, pim= f(LI, ut) .............................................. 82 Bảng 3.9. Sự thay đổi nhiệt độ khí xả. Te= f(LI, ut)................................................ 82 Bảng 3.10. Thông số kỹ thuật chính của động cơ MAK43 [33] ............................. 86 Bảng 3.11. Công suất động cơ theo chế độ tải và tiết diện ống phun ..................... 90 Bảng 3.12. Suất tiêu hao nhiên liệu có ích theo tải và tiết diện ống phun .............. 91 Bảng 3.13. Nhiệt độ khí xả theo tải và tiết diện ống phun ...................................... 91 Bảng 4.1. Các thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ điện tử ............................. 97 Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất điện tử..................................... 97 Bảng 4.3. Bảng mô tả các chế độ thực nghiệm ..................................................... 100 Bảng 4.4. Đánh giá sự thay đổi ge ở chế độ 50% tải, 1500 v/ph........................... 104 Bảng 4.5. Thay đổi công suất theo độ mở ống phun (50% tải) ............................ 105 Bảng 4.6. Đánh giá sự thay đổi của ge ở 1500 v/ph và 25% tải ............................ 107 Bảng 4.7. Thay đổi công suất theo độ mở ống phun (25% tải) ............................ 107 Bảng 4.8. Bảng thống kê số giờ hoạt động của động cơ theo chế độ tải: ............. 110 Bảng 4.9. Đánh giá hiệu quả điều chỉnh ống phun ............................................... 112
ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Thời gian giữa các lần phục hồi công suất [17] ....................................... 12 Hình 1.2. Đặc tính khai thác của động cơ máy chính lai chân vịt tàu thủy[61]...... 14 Hình 1.3. Sự dịch chuyển điểm công tác trên đồ thị đặc tính máy nén. ................. 15 Hình 1.4. Ống phun trong tua bin tăng áp (loại Garrett GT1749V [27])................ 16 Hình 1.5. Đặc tính động cơ với ống phun cố định và ống phun điều chỉnh [40].... 18 Hình 1.6. Sơ đồ mô tả phương hướng nghiên cứu của luận án............................... 28 Hình 2.1. Quá trình trao đổi khí của động cơ diesel 4 kỳ [19] ............................... 31 Hình 2.2.Tam giác vận tốc của máy nén ................................................................. 37 Hình 2.3. Đồ thị h–s của dòng khí chuyển động qua máy nén [71]........................ 38 Hình 2.4. Tam giác vận tốc dòng khí qua tua bin hướng kính................................ 41 Hình 2.5. Đồ thị h–s của tua bin [48] ...................................................................... 42 Hình 2.6. Mối quan hệ độ mở ống phun ut và góc dẫn hướng t............................ 44 Hình 2.7. Sơ đồ thuật toán xác định công suất tua bin hướng kính ........................ 47 Hình 2.8. Hướng chuyển động của dòng khí qua tua bin hướng trục [40] ............. 48 Hình 2.9. Tam giác vận tốc dòng khí qua tua bin hướng trục [40] ......................... 49 Hình 2.10. Đồ thị h–s của dòng khí đi qua tua bin hướng trục [40] ....................... 50 Hình 2.11. Sự thay đổi áp suất của dòng khí qua ống phun.................................... 51 Hình 2.12. Đồ thị h–s của dòng khí qua ống phun.................................................. 51 Hình 2.13. Mối quan hệ TB–MN ............................................................................ 53 Hình 2.14. Phối hợp công tác giữa MDE và TBTA................................................ 54 Hình 3.1. Sơ đồ thuật toán cho mô phỏng............................................................... 60 Hình 3.2. Mô tả phương pháp hiệu chỉnh tham số .................................................. 62 Hình 3.3. Sơ đồ khối công tác của tổ hợp MDE–TBTA......................................... 69 Hình 3.4. Mô hình khối xy lanh điển hình động cơ Deutz 226B ............................ 70 Hình 3.5. Đặc tính máy nén của bộ tăng áp GT1749V ........................................... 71 Hình 3.6. Sơ đồ phối hợp TB–MN .......................................................................... 72 Hình 3.7. Mô hình máy nén trong môi trường Simulink ........................................ 73 Hình 3.8. Mô hình TB trong môi trường Simulink ................................................. 73
x Hình 3.9. Khối công suất TB................................................................................... 74 Hình 3.10. Diễn biến áp suất và nhiệt độ khí trong xy lanh (25% tải, 1500 v/ph) . 75 Hình 3.11. Tốc độ phát nhiệt của nhiên liệu ........................................................... 76 Hình 3.12. Công chỉ thị ........................................................................................... 76 Hình 3.13. Hệ số truyền nhiệt ................................................................................. 76 Hình 3.14. Tổn thất truyền nhiệt ............................................................................. 76 Hình 3.15. Giao diện chương trình mô phỏng MDE Deutz226B ........................... 77 Hình 3.16. Đồ thị áp suất với ut = 60%÷100%, 100% tải, 1500 v/ph ..................... 79 Hình 3.17. Đồ thị áp suất với ut=60%÷100%, chế độ 25% tải, 1500 v/ph ............. 80 Hình 3.18. Sự thay đổi công suất theo .................................................................... 81 Hình 3.19. Quan hệ giữa tỷ số Pw/Pw,nor và ut (25% tải, 1500 v/ph) ....................... 83 Hình 3.20. Quan hệ giữa tỷ số ge/ge,nor và ut (25% tải, 1500 v/ph) ......................... 84 Hình 3.21. Quan hệ giữa tỷ số Te/Te,nor và ut (25% tải, 1500 v/ph) ........................ 84 Hình 3.22. Mô phỏng MDE MAK43 ở chế độ định mức (100% tải, 500 v/ph) ..... 87 Hình 3.23. Áp suất khí nạp mô phỏng và thử nghiệm ............................................ 87 Hình 3.24. Công suất mô phỏng và thử nghiệm ..................................................... 88 Hình 3.25. Đặc tính áp suất có ích trung bình theo % tải định mức ....................... 88 Hình 3.26. Đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu theo tải .............................................. 88 Hình 3.27. Mô phỏng động cơ MAK43 ở chế độ khai thác.................................... 89 Hình 3.28. Đồ thị hàm số Pw/Pw,nor =f(AT), chế độ 65% tải .................................... 92 Hình 3.29. Đồ thị hàm số ge/ge,nor=f(AT), chế độ 65% tải ....................................... 92 Hình 3.30. Đồ thị hàm số Te/Te,nor=f(AT), chế độ 65% tải ...................................... 93 Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm động cơ ....................................................... 96 Hình 4.2. Bộ thu thập dữ liệu NI 9203 .................................................................... 97 Hình 4.3. Bố trí hệ thống giám sát – đo kiểm ......................................................... 98 Hình 4.4. Trình tự các bước thực nghiệm ............................................................... 99 Hình 4.5. Nhiệt độ khí xả ở chế độ ut =100%. ...................................................... 101 Hình 4.6. Áp suất khí nạp ở chế độ 100% ut ......................................................... 102 Hình 4.7. Áp suất khí nạp ps(bar) (n=1500 v/ph, 50% tải) ................................... 102
xi Hình 4.8. Nhiệt độ khí xả (n=1500 v/ph, 50% tải)................................................ 103 Hình 4.9. Suất tiêu hao nhiên liệu ge (n=1500 v/ph, 50% tải) .............................. 103 Hình 4.10. Công suất có ích (n=1500 v/ph, 50% tải)............................................ 104 Hình 4.11. Áp suất khí nạp (1500 v/ph, 25% tải) ................................................. 105 Hình 4.12. Nhiệt độ khí xả (n=1500 v/ph, 25% tải).............................................. 106 Hình 4.13. Suất tiêu hao nhiên liệu ge (n=1500 v/ph, 25% tải) ............................ 106 Hình 4.14. Công suất Pw (n=1500 v/ph, 25% tải) ................................................. 107 Hình 4.15. Đo tiết diện ống phun .......................................................................... 110 Hình 4.16. Mặt cắt ống phun trước và sau khi điều chỉnh .................................... 110 Hình 4.17. Tốc độ TB trước và sau khi điều chỉnh giảm tiết diện ống phun........ 111 Hình 4.18. Áp suất khí nạp trước và sau khi điều chỉnh giảm tiết diện ống phun 112 Hình 4.19. Nhiệt độ khí xả trước và sau khi điều chỉnh giảm tiết diện ống phun 112
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Nâng cao công suất, hiệu suất, giảm kích thước và giảm lượng khí gây ô nhiễm ra môi trường là những yêu cầu ngày càng cao đối với động cơ diesel tàu thủy (Marine Diesel Engine, MDE) hiện đại. Lý thuyết và thực tế sử dụng động cơ diesel đã khẳng định: Tăng áp bằng tua bin khí xả (TBTA) là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để nâng cao công suất của động cơ. Ngoài ra, tăng áp bằng tua bin khí xả còn cải thiện được suất tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải khí ô nhiễm môi trường. Hoàn thiện tăng áp cho động cơ diesel tàu thủy nhận được nhiều quan tâm, đầu tư nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế nhằm nâng cao tính năng hoạt động và đáp ứng yêu cầu làm việc của hệ động lực. Trên các tàu thủy hiện nay, động cơ diesel máy chính (lai chân vịt) và máy phụ (lai máy phát điện) thường là động cơ nhiều xy lanh, được tăng áp bằng tua bin khí xả. Các động cơ chính trên các tàu vận tải biển đa phần là các dạng động cơ diesel trung tốc hoặc thấp tốc sử dụng tua bin tăng áp với ống phun có góc phun cố định. Một số chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ kém đi sau một thời gian dài khai thác, như công suất suy giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng, v.v. Lượng không khí nạp trong các chế độ công tác của các động cơ cũ này thường không đủ để duy trì công suất cần thiết của động cơ. Phục hồi các trạng thái kỹ thuật của động cơ cũng như TBTA trong duy tu, bảo dưỡng định kỳ có thể duy trì các thông số cơ bản của động cơ ở trong phạm vi nhất định. Điều chỉnh ống phun trong tua bin tăng áp là một trong những biện pháp nhằm nâng cao hệ số nạp, hoàn thiện quá trình cháy và cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ. Động cơ diesel lai máy phát điện thường là các động cơ cao tốc hoạt động theo chế độ phụ tải với số vòng quay gần như cố định. Ở chế độ khởi động và thấp tải, nhiên liệu thường không cháy hết do lượng khí nạp không đủ. Do đó, công suất và hiệu suất của động cơ thấp và phát thải nhiều khí gây ô nhiễm môi trường. Số lượng các động cơ lai máy phát điện có tua bin tăng áp tích hợp bộ điều chỉnh ống phun là khá hạn chế trên tàu thủy. Lắp đặt cụm TBTA có điều chỉnh ống phun
2 cho động cơ diesel phụ trên tàu thủy để cải thiện chất lượng công tác là một hướng nghiên cứu có thể mang lại nhiều kết quả hữu ích. Để làm sáng tỏ các vấn đề liên quan đến sử dụng TBTA có điều chỉnh ống phun đối với các động cơ cũ cần có các nghiên cứu lý thuyết đầy đủ cũng như kiểm nghiệm tại phòng thí nghiệm và thử nghiệm trên tàu thực. Trong thực tế, việc điều chỉnh tiết diện ống phun trong tua bin tăng áp đối với các động cơ chính trên tàu thủy đã được thực hiện khi sửa chữa tàu, nhờ đó đã cải thiện được công suất của động cơ. Việc hoán cải điều chỉnh đó còn dựa vào kinh nghiệm thực tế và chưa được nghiên cứu lý thuyết cũng như thí nghiệm đầy đủ để làm căn cứ nhân rộng cho các trường hợp khác. Số lượng các nghiên cứu về tăng áp bằng tua bin khí xả cho động cơ diesel (trong nước, ngoài nước) khá nhiều, và hầu như chỉ tập trung cho nghiên cứu về tua bin tăng áp cho các động cơ mới của các hãng sản xuất động cơ diesel. Nghiên cứu về ống phun trong tua bin tăng áp ở trong nước chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu, đặc biệt là nghiên cứu cho động cơ diesel tàu thủy thì hầu như chưa có. Như vậy vấn đề nghiên cứu này còn khá mới và có khả năng ứng dụng trong thực tiễn cho các động cơ diesel tàu thủy đang khai thác trong nước. Xuất phát từ thực tế trên, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất động cơ diesel tàu thủy” góp phần hoàn thiện lý thuyết và cải tiến công nghệ, nâng cao công suất và giảm suất tiêu hao nhiên liệu cho động cơ diesel tàu thủy đang khai thác trong nước. 2. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu chung: Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua bin tăng áp nhằm nâng cao công suất và cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật cho động cơ diesel tàu thủy đang khai thác. Mục tiêu cụ thể: – Hoàn thiện một mô hình toán và mô phỏng quá trình công tác của động cơ diesel tàu thủy tăng áp bằng tua bin xung áp. – Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của tiết diện và góc dẫn hướng ống
3 phun trong tua bin tăng áp đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy. – Nghiên cứu thực nghiệm (tại phòng thí nghiệm) ảnh hưởng của tiết diện và góc dẫn hướng ống phun đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy. – Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ diesel đang khai thác về ảnh hưởng của tiết diện ống phun đến các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu: Ống phun trong tua bin tăng áp của hai động cơ diesel tàu thủy Duetz 226B và MAK43 đang khai thác. Phạm vi nghiên cứu: – Mô hình toán và chương trình mô phỏng áp dụng cho động cơ diesel tàu thủy 4 kỳ tăng áp bằng tua bin xung áp, động cơ Duetz 226B (ống phun hướng kính) trong phòng thí nghiệm và động cơ MAK43 (ống phun hướng trục) trên tàu đang khai thác. – Nghiên cứu đối với động cơ MAK43 đang khai thác trên tàu, chỉ nghiên cứu ảnh hưởng tiết diện ống phun đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật động cơ, không nghiên cứu đến góc dẫn hướng ống phun. – Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của ống phun đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật chính của động cơ. Không nghiên cứu đến độ bền, tuổi thọ, rung động của động cơ khi thay đổi kết cấu ống phun. Tình trạng phát thải và trạng thái chuyển tiếp cũng chưa được xem xét đến. 4. Phương pháp nghiên cứu của luận án Nghiên cứu này kết hợp giữa các phương pháp nghiên cứu lý thuyết (mô hình, mô phỏng) với các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm (đo, xử lý số liệu). Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện bước đầu trong phòng thí nghiệm, kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để thực hiện tiếp các nghiên cứu trên động cơ đang khai thác. Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ đang khai thác là để kiểm nghiệm tính khả thi và hoàn thiện cơ sở lý thuyết của nghiên cứu.
4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: – Hoàn thiện mô hình toán quá trình công tác của động cơ diesel tăng áp bằng tua bin khí xả qua việc tích hợp kết quả nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết. Xây dựng một hệ phương trình xác định công suất tua bin với hai biến số là góc dẫn hướng và tiết diện ống phun. – Lập mô hình toán và chương trình mô phỏng tổ hợp động cơ – tua bin tăng áp trong Matlab/ Simulink. Các kết quả đó có thể phục vụ cho nghiên cứu động cơ diesel, tua bin tăng áp và sử dụng trong công tác đào tạo đại học và sau đại học. Ý nghĩa thực tiễn: – Đề xuất được các giải pháp kỹ thuật tương đối hiệu quả để nâng cao công suất và chỉ tiêu khai thác của động cơ diesel tàu thủy trong điều kiện hiện nay. – Áp dụng kết quả mô phỏng vào thực tế động cơ đang khai thác để nâng cao công suất các chỉ tiêu khai thác của động cơ, mang lại hiệu quả kinh tế – kỹ thuật thiết thực. 6. Những đóng góp mới của luận án – Thiết lập được một mô hình toán quá trình công tác của một tổ hợp động cơ diesel – tua bin tăng áp và xây dựng được hệ phương trình xác định công suất tua bin tăng áp thông qua góc dẫn hướng và tiết diện của ống phun. – Xây dựng được một chương trình phần mềm mô phỏng tổ hợp động cơ – tua bin tăng áp bằng ngôn ngữ lập trình Matlab/Simulink. – Đánh giá định lượng được tác động của ống phun khí xả trong tua bin tăng áp đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ. Dự đoán tiết diện tối ưu của ống phun cho động cơ cụ thể đang khai thác. – Đề xuất các giải pháp kỹ thuật để nâng cao công suất và các thông số kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy đang khai thác thông qua việc điều chỉnh ống phun trong tua bin tăng áp.
5 7. Bố cục của luận án Nội dung của luận án gồm các phần sau: Mở đầu Chương 1. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua bin tăng áp đến động cơ diesel tàu thủy Chương 2. Cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu ảnh hưởng của ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy Chương 3. Mô phỏng ảnh hưởng của ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật động cơ diesel tàu thủy đang khai thác Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm Kết luận và kiến nghị
6 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 1.1. Tổng quan về nâng cao công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy bằng phương án tăng áp Tăng áp bằng tua bin khí xả lần đầu được đăng ký phát minh bởi kỹ sư người Thụy Sỹ Alfred Buchi vào năm 1905 [9]. Trải qua hơn một thế kỷ phát triển, phương án tăng áp bằng tua bin khí xả đã được cải tiến, nâng cấp và trở thành một phương án tăng áp phổ biến như hiện nay trên các động cơ đốt trong. Tác động của tăng áp bằng tua bin khí xả của động cơ diesel tàu thủy được tóm lược như phần sau đây. 1.1.1. Ưu điểm của động cơ diesel tăng áp bằng tua bin khí xả Đối với động cơ diesel không tăng áp, năng lượng cung cấp từ quá trình đốt cháy nhiên liệu được chuyển hóa thành các dạng năng lượng sau: Bảng 1.1. Tỷ lệ chuyển hóa năng lượng của động cơ diesel [92] Dạng năng lượng Tỷ lệ Công cơ học 35 % Nhiệt lượng truyền cho nước làm mát 15 % Nhiệt lượng truyền cho dầu bôi trơn 5% Bức xạ nhiệt ra môi trường 8% Nhiệt lượng khí xả mang ra ngoài 37% Từ bảng trên cho ta thấy phần năng lượng hao phí mà khí xả mang ra ngoài là lớn nhất (tới 37% tổng năng lượng khí cháy sinh ra). Nếu dùng TBTA, nguồn năng lượng này tiếp tục được giãn nở sinh công trong tua bin (TB) làm quay máy nén khí (MN), cung cấp năng lượng cho khí nạp, tăng mật độ khí nạp (v) và cải thiện hệ số nạp (v). Nhờ đó công suất và hiệu suất động cơ được nâng cao. Về tổn thất nhiệt, khi tăng áp cho động cơ thì mật độ môi chất (nhiên liệu, không khí, khí cháy) đều tăng nên nhiệt lượng truyền qua thành vách tăng, nhưng tổn thất nhiệt quy về một đơn vị công suất có ích của động cơ sẽ giảm. Đối với quá
7 trình cháy trong xy lanh động cơ, khí nén tăng áp làm cho quá trình hòa trộn nhiên liệu và không khí tốt hơn, hiệu suất quá trình cháy được tăng lên và hiệu suất chỉ thị của quá trình công tác của động cơ cũng được tăng lên. Mặt khác, tăng áp bằng tua bin khí xả không tốn công suất của động cơ để dẫn động máy nén, nên tính kinh tế trong khai thác động cơ có thể tăng 3%÷10% so với cùng loại [20]. Cùng với việc lắp đặt các két làm mát trung gian, nhiệt độ khí tăng áp giảm đáng kể, góp phần làm tăng mật độ khí nạp, giảm ứng suất nhiệt cho các chi tiết thuộc buồng đốt của động cơ. Do những ưu thế kể trên, phương pháp tăng áp bằng tua bin khí xả được áp dụng trên các động cơ diesel chiếm tới 70% ÷80% số động cơ tăng áp [20]. Mặc dù được đăng ký phát minh năm 1905 [9], nhưng sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất, bộ tăng áp bằng tua bin khí xả mới được áp dụng lần đầu tiên trên tàu thủy. Bộ tăng áp lắp trên động cơ MAN 4 kỳ 10 xy lanh (tàu Preussen và Hansestadt Danzig), đã đưa công suất từ 1250 kW lên 1840 kW [92]. Với bộ tăng áp tua bin khí xả, công suất lớn nhất hiện nay đạt tới 80080 kW (động cơ Wartsila RT flex 96C, tua bin tăng áp của hãng ABB, lắp đặt trên tàu container Emma Maerk) [34] [68]. So sánh động cơ không tăng áp và có tăng áp bằng tua bin khí xả, theo một số chỉ tiêu như sau: Theo áp suất có ích trung bình: Động cơ không tăng áp, áp suất trung bình thường không quá 9 bar; động cơ tăng áp có áp suất trung bình lên tới 24,38 bar (động cơ MAK43, tàu container Phúc Hưng) [69]. Theo công suất lít (công suất/dung tích xy lanh): Động cơ không tăng áp, công suất lít khoảng 20÷25 kW/dm3; động cơ tăng áp, công suất lít lên tới 40÷45kW/dm3[20]. Theo hiệu suất có ích động cơ: Động cơ không tăng áp, hiệu suất 35%, động cơ tăng áp hiệu suất ngày càng nâng cao, có thể lên tới trên 50% [56] [85]. 1.1.2. Các dạng tua bin tăng áp trên động cơ diesel tàu thủy Theo đặc tính áp suất dòng khí xả vào tua bin. Tua bin tăng áp được phân thành tua bin đẳng áp và tua bin xung áp.