Nghiên cứuảnh hưởng của trạng thái kĩ thuật sinh hàn gió tăng áp đến quá trình công tác của động cơ disesel hanshin6lu32
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi, các tƣ
liệu, số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố
trong bất cứ công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc
ghi rõ nguồn gốc
Tác giả luận văn
KS. Nguyễn Văn Kiên
i
LỜI CẢM ƠN
Đƣợc sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS. Phạm Xuân Dƣơng cùng các
thầy cô và các bạn đồng nghiệp, tôi đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp thạc sỹ đúng
hạn. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hƣớng dẫn TS. Phạm Xuân
Dƣơng và các thầy khác đã giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này.
Tuy nhiên do thời gian có hạn nên đề tài này khó tránh khỏi những sai sót
nhất định. Kính mong đƣợc sự gúp đỡ của các thầy để đề tài của tôi hoàn thành tốt
hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
ii
MỤC LỤC
Lời cam đoan .............................................................................................................. i
Lời cảm ơn................................................................................................................. ii
Mục lục ..................................................................................................................... iii
Danh mục các bảng ................................................................................................... v
Danh mục các hình ................................................................................................... vi
Mở đầu....................................................................................................................... 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ DIESEL ..................... 3
1.1. Hệ thống tăng áp diesel tàu thủy .................................................................... 3
1.2. Ảnh hƣởng của chất lƣợng tăng áp tới các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của
động cơ ................................................................................................................ 12
1.3. Thiết bị trao đổi nhiệt ................................................................................... 16
1.4. Sự cần thiết của việc làm mát trung gian cho không khí tăng áp ................ 20
1.5 Ảnh hƣởng của tổ hợp tuabin khí máy nén đến các thông số động cơ
Diesel ................................................................................................................... 21
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT
TRONG SINH HÀN GIÓ TĂNG ÁP VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƢNG
CHO CHU TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ................................................. 26
2.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................. 26
2.2. Ảnh hƣởng của trạng thái kỹ thuật tới sự cộng tác của các sinh hàn làm
mát gió tăng áp .................................................................................................... 47
2.3. Nghiên cứu sự ảnh hƣởng của trạng thái kỹ thuật tổ hợp tuabin khí, máy
nén và sinh hàn gió tăng áp tới quá trình công tác của động cơ ......................... 53
CHƢƠNG 3. ẢNH HUỞNG CỦA CHẤT LUỢNG NHIÊN LIỆU ĐẾN QUÁ
TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL HANSHIN 6LU32 ............................. 58
3.1. Giới thiệu về động cơ diesel tàu biểnHanshin loại 6LU32 .......................... 58
3.2 Thứ tự tính toán ảnh hƣởng của chất lƣợng tình trạng kĩ thuật sinh hàn
gió tăng áp đến quá trình công tác của động cơ diesel Hanshin 6LU32 ............. 59
iii
3.3 Xây dựng sơ đồ thuật toán tính toán ảnh hƣởng của nhiệt độ đầu quá trình
nạp đến quá trình công tác của động cơ diesel Hanshin 6LU32 ......................... 60
3.4 Giới thiệu về phần mềm tính toán ................................................................. 61
3.5. Kết quả tính toán lý thuyết ảnh hƣởng của tình trạng kĩ thuật sinh hàn gió
tăng áp đến quá trình công tác của động cơ ........................................................ 62
3.6. Tổng hợp từ kết quả tính toán. ..................................................................... 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 68
iv
DANH MỤC CÁCBẢNG
Số bảng
Tên bảng
Trang
1.1
Thông số chính của tuabin tăng áp hƣớng kính
7
1.2
Thông số chính của tuabin tăng áp hƣớng trục
7
v
DANH MỤC CÁCHÌNH
Số hình
Tên hình
Trang
1.1
Tăng áp dẫn động cơ khí
4
1.2
Tăng áp tuabin khí
4
1.3
Tăng áp hỗn hợp lắp nối tiếp
5
1.4
Tăng áp hỗn hợp lắp song song
5
1.5
Hai loại cơ bản của hệ thống tăng áp tuabin
8
Quan hệ giữa ge và pe của động cơ Diesel với các mức độ
1.6
tăng áp khác nhau.1-không tăng áp; 2-pk=1,5Mpa; 3-
15
pk=0,21Mpa
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
Sơ đồ phân loạithiết bị trao đổi nhiệt trong hệ thống động lực
Diesel tàu thủy
17
Một số loại sinh hàn gió tăng áp trên động cơ Diesel tàu thủy 18
Ống dẹt bố trí so le có cánh hình chữ nhật
Ống dẹt bố trí song song có cánh hình chữ nhật
Ống dẹt bố trí so le có cánh gợn sóng
18
18
19
1.12
Ống dẹt bố trí song song có cánh gợn sóng
19
1.13
Ống tròn bố trí song song có cánh tròn
19
1.14
Ống tròn bố trí so le có cánh tròn
19
1.15
Ống tròn bố trí song song có cánh gợn sóng
19
1.16
Ống tròn bố trí so le có cánh gợn sóng
22
1.17
1.18
2.1
Sự phụ thuộc của áp suất không khí nạp
vào sức cản của sinh hàn gió tăng áp
Sự thay đổi hệ số nạp ηn và hệ số khí sót γr của động cơ hai
kỳtheo tỷ số pr/ps ở các vòng quay khác nhau
Xác định hệ số điều chỉnh εφ
vi
23
24
36
2.2
Quá trình trao đổi nhiệt của hai chất lỏng cùng chiều
39
2.3
Quá trình trao đổi nhiệt của hai chất lỏng ngƣợc chiều
40
2.4
Ảnh hƣởng của tổn thất áp suất đến hệ số tổn thất ξ
51
2.5
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Đặc tính cột áp lƣu lƣợng của tổ hợp máy nén đƣờng ống và
sinh hàn gió tăng áp
Động cơ diesel tàu biển loại Hanshin 6LU32
Ảnh hƣởng của nhiệt độ khí nạp TC1 đến áp suất cháy theo
góc quay trục khuỷu.
Ảnh hƣởng của nhiệt độ khí nạp TC2 đến áp suất cháy theo
góc quay trục khuỷu.
Ảnh hƣởng của nhiệt độ khí nạp TC3 đến áp suất cháy theo
góc quay trục khuỷu
Ảnh hƣởng của nhiệt độ khí nạp đến áp suất cháy theo góc
quay trục khuỷu
vii
52
59
61
63
63
64
MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Đối với các động cơ diesel tàu thủy, một trong những yếu tố quan trọng là độ
tin cậy và trọng lƣợng, kích thƣớc nhỏ gọn. Do động cơ diesel bố trí tăng áp bằng
tuabin khí xả có công suất trên một đơn vị trọng lƣợng lớn nên chúng đƣợc ứng
dụng phổ biến trong hệ động lực tàu thủy. So với động cơ không tăng áp thì chúng
còn có một số ƣu điểm khác nhƣ: suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất ở các chế độ
gần chế độ định mức; tuổi thọ cao và độ ồn nhỏ. Với động cơ tăng áp, trạng thái kỹ
thuật của hệ thống nạp có ảnh hƣởng lớn tới tính kinh tế và độ tin cậy của động cơ,
trong một số trƣờng hợp có thể làm xấu quá trình làm việc của động cơ dẫn đến
giảm kinh tế cũng nhƣ tuổi thọ của nó. Để khai thác loại động cơ này có hiệu quả
và đảm bảo độ tin cậy, điều quan trọng nhất là phải duy trì trạng thái kỹ thuật của
hệ thống nạp, các thông số trạng thái không khí nạp trong phạm vi cho phép. Nắm
rõ sự liên quan chặt chẽ giữa các thông số đầu vào với các thông số làm việc của
động cơ diesel nhƣ công suất, suất tiêu hao nhiện liệu, tải trọng cơ và nhiệt lên các
chi tiết làm việc của động cơ ở các chế độ khác nhau là đặc biệt quan trọng trong
khai thác động cơ.
Các thông số trạng thái của không khí nạp trong xy lanh ở đầu hành trình nén
và lƣợng không khí nạp mới có ảnh hƣởng lớn đến toàn bộ chu trình công tác của
động cơ và dẫn đến thay đổi áp suất có ích bình quân, hiệu suất chỉ thị… Mặc dù,
đã có một số tài liệu đề cập tới vấn đề này, tuy nhiên việc nghiên cứu cụ thể ảnh
hƣởng của trạng thái kỹ thuật sinh hàn gió tăng áp tới các thông số công tác của
động cơ thì chƣa có tài liệu nào nghiên cứu.
Vì lý do đó nên tôi chọn đề tài tốt nghiệp thạc sỹ: “ Nghiên cứuảnh hưởng của
trạng thái kĩ thuật sinh hàn gió tăng áp đến quá trình công tác của động cơ
dieselHanshin6LU32”
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Phân tích sự ảnh hƣởng của trạng thái kỹ thuật sinh hàn gió tăng áp tới quá
trình công tác động cơ diesel tàu thủy. Từ đó làm cơ sở cho việc quản lý kỹ thuật
1
và khai thác hiệu quả sinh hàn gió tăng áp trong quá trình khai thác sử dụng để
nâng cao công suất động cơ.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu ảnh hƣởng của trạng thái kỹ
thuật sinh hàn gió tăng áp tới các thông số công tác của động cơ diesel tàu thủy.
Trong điều kiện hiện tại, luận văn chỉ giới hạn nghiên cứu ảnh hƣởng trạng
thái kỹ thuật sinh hàn gió tăng áp tới công suất chỉ thị và công suất có ích của động
cơ.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu mô hình ảnh hƣơng của trạng thái kỹ thuật sinh hàn gió tăng áp
tới các thông số công tác động cơ diesel tàu thủy.
Sử dụng phần mềm Matlab để xác định ảnh hƣởng của trạng thái kĩ thuật sinh
hàn gió tăng áp đến các thông số công tác của động cơ diesel tàu thủy.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Trên cơ sở các mô hình toán học, đề tài phân tích ảnh hƣởng trạng thái kỹ
thuật sinh hàn gió tăng áp tới quá trình công tác của động cơ diesel, từ đó đề xuất
các giải pháp xử lý.
Trên cơ sở các bài toán tính nhiệt, đề tài đã phân tích, đánh giá đƣợc trạng
thái kỹ thuật hiện tại của sinh hàn gió tăng áp.
Từ kết quả nghiên cứu của đề tài làm cơ sở cho việc quản lý kỹ thuật sinh hàn
gió tăng áp, khai thác hiệu quả trong quá trình khai thác sử dụng nhằm nâng cao
công suất động cơ.
2
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ DIESEL
1.1. Hệ thống tăng áp diesel tàu thủy
1.1.1. Khái niệm về hệ thống tăng áp động cơ
Động cơ không tăng áp, trực tiếp nạp không khí từ ngoài trời, do bị hạn chế
về số lƣợng không khí nạp vào xy lanh nên khả năng nâng cao công suất động cơ
không lớn. Nếu dùng một máy nén riêng để nén không khí trƣớc rồi đƣa vào xy
lanh động cơ sẽ có thể làm tăng mật độ không khí, qua đó tăng khối lƣợng không
khí nạp vào xy lanh mỗi chu trình. Nhƣ vậy, trong mỗi chu trình công tác của động
cơ lƣợng nhiên liệu đƣợc đƣa vào xy lanh nhiều hơn, làm tăng công suất động cơ
khi mà khối lƣợng và kích thƣớc động cơ tăng lên không nhiều. Cách làm ấy đƣợc
gọi là tăng áp.
Với động cơ diesel, tăng áp là biện pháp cƣờng hóa Pe tốt nhất. Đặc biệt thời
gian gần đây, kỹ thuật chế tạo tuabin và máy nén sử dụng năng lƣợng khí xả nên
phạm vi sử dụng tăng áp ngày một mở rộng và áp suất tăng áp Pk ngày một nâng
cao làm cho không những tính năng động lực học của động cơ tốt hơn động cơ
không tăng áp mà còn giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Nếu áp suất có ích trung bình
của động cơ diesel không tăng áp Pe thƣờng không quá 0,7 – 0,9 Mpa thì Pe của
động cơ diesel tăng áp rất dễ đạt 1,0 – 2,0 Mpa, nếu nâng cáo áp suất tăng áp Pk và
làm mát trung gian cho không khí phía sau máy nén có thể đƣa áp suất có ích trung
bình Pe của động cơ thực nghiệm tới 4Mpa. Nhiều động cơ tăng áp đang chế tạo
hiện nay đã đạt đƣợc Pe≥3Mpa.
Tuy nhiên càng nâng cao mức độ tăng áp, động cơ diesel đƣợc cƣờng hóa
càng nhanh về Pe sẽ làm tăng phụ tải cơ khí cũng nhƣ phụ tải nhiệt của động cơ, do
đó phải đặt ra những yêu cầu khắt khe khi chế tạo các chi tiết của nhóm piston, xy
lanh, xupap, nắp xy lanh, bạc trục, bạc biên… Ngoài ra cũng đòi hỏi tạo ra hệ
thống nhiên liệu mới với quy luật cấp nhiên liệu khắt khe hơn, vòi phun có áp suất
cao hơn và hệ thống tăng áp tuabin khí hoàn hảo hơn.
3
1.1.2. Các phương pháp tăng áp chủ yếu
Dựa vào nguồn năng lƣợng để nén không khí trƣớc khi đƣa vào động cơ,
ngƣời ta chia các phƣơng pháp tăng áp thành bốn nhóm sau:
1.1.2.1. Tăng áp dẫn động cơ khí (hình 1.1)
Truyền động từ trục khuỷu động cơ, qua bánh răng, xích tải dây đai dẫn động
máy nén khí kiểu ly tâm, kiểu rôto, cánh gạt hoặc kiểu trục vít…
Hình 1.1. Tăng áp dẫn động cơ khí
Hình 1.2. Tăng áp tuabin khí
1-Máy nén; 2- Hệ thống truyền động
1-động cơ; 2-làm mát trung gian;
T-tuabin; K-máy nén
1.1.2.2. Tăng áp nhờ năng lượng khí thải
Nguồn năng lƣợng để nén không khí đƣợc lấy từ khí thải. Nhóm này lại đƣợc
chia ra làm hai loại:
4
1.1.2.2.1.Tăng áp tuabin khí (hình 1.2). Máy nén K đƣợc dẫn động bởi tuabin khí
T, hoạt động nhờ năng lƣợng khí thải của động cơ. Không khí từ ngoài trời qua
máy nén đƣợc nén tới áp suất pk>po rồi vào xy lanh động cơ. Do tăng áp tuabin khí
đƣợc dẫn động nhờ năng lƣợng khí thải, không phải tiêu thụ công suất động cơ nhƣ
tăng áp cơ khí, nên có thể làm tăng tính kinh tế của động cơ, nói chung có thể giảm
suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 3-10%. Động cơ tăng áp cao, thƣờng lắp két làm
mát trung gian nhằm giảm nhiệt độ, qua đó nâng cao mật độ không khí tăng áp đi
vào động cơ. Tăng áp tuabin còn tạo điều kiện giảm ồn, giảm thành phần độc hại
trong khí xả, do đó loại này đang đƣợc sử dụng nhiều nhất hiện nay. Những động
cơ diesel có công suất từ 35kW đến 35000kW phần lớn đều dùng tăng áp tuabin
khí (tới 70 ÷ 80%);
1.1.2.2.2.Tăng áp bằng sóng khí. Khí thải của động cơ tiếp xúc trực tiếp với không
khí trên đƣờng tới xy lanh, trong bộ tăng áp bằng sóng khí, để nén số không khí
này trƣớc khi nạp vào động cơ.
1.1.2.3. Tăng áp hỗn hợp (hình 1.3 và hình 1.4)
Hình 1.3. Tăng áp hỗn hợp lắp
nối tiếp
Hình 1.4. Tăng áp hỗn hợp lắp
song song
5
Trên một số động cơ, ngoài phần tăng áp tuabin khí còn dùng thêm một bộ
tăng áp dẫn động cơ khí. Ví dụ trên động cơ hai kỳ, để có áp suất khí quét cần thiết
phải khởi động cũng nhƣ chạy ở tốc độ thấp và tải nhỏ, phải sử dụng tăng áp hỗn
hợp. Tăng áp hỗn hợp đƣợc thực hiện theo hai phƣơng án: Lắp nối tiếp (hình 1.3)
và lắp song song (hình 1.4).
1.1.2.4. Tăng áp nhờ hiệu ứng động của dao động áp suất
Lợi dụng hiện tƣợng lƣu động không ổn định của dòng khí trên đƣờng ống
dẫn, do tính gián đoạn của các quá trình nạp, thải của động cơ gây ra bằng cách bố
trí hợp lý kích thƣớc các đƣờng nạp và thải nhằm làm tăng không khí nạp vào xy
lanh mỗi chu trình.
Trong thực tế sử dụng, ngoài bốn cách tăng áp chính kể trên còn có các hệ
thống tăng áp và các phƣơng án tổ hợp khác thích hợp cho từng trƣờng hợp cụ thể,
thỏa mãn nhu cầu tăng áp cho động cơ.
1.1.3. Phân loại tuabin tăng áp
Tuabin tăng áp gồm hai phần chính là máy nén và tuabin khí cùng các cơ cấu
phụ nhƣ bạc đỡ trục, thiết bị bao kín, các hệ thống bôi trơn và làm mát v.v…
Dựa vào dòng chảy khí xả trong tuabin ngƣời ta chia thành hai loại: tuabin
tăng áp hƣớng trục và tuabin tăng áp hƣớng kính. Cả hai loại trên đều đƣợc phát
triển song song. Nói chung tuabin tăng áp hƣớng kính dùng cho những trƣờng hợp
cần lƣu lƣợng nhỏ (đƣờng kính ngoài của bánh công tác nhỏ hơn 180mm), còn
tuabin tăng áp hƣớng trục dùng cho các trƣờng hợp cần lƣu lƣợng lớn (đƣờng kính
ngoài của bánh công tác lớn hơn 260mm). Với trƣờng hợp đƣờng kính ngoài của
bánh công tác từ 180 ÷ 260mm, ngƣời ta dùng cả hai loại trên.
1.1.3.1. Tuabin tăng áp hướng kính
Ngƣời ta thƣờng dùng tuabin hƣớng kính một tầng và máy nén ly tâm một
tầng. Các thông số chính của tuabin tăng áp hƣớng kính đƣợc giới thiệu trên bảng
1-1
6
Bảng 1.1. Thông số chính của tuabin tăng áp hƣớng kính
Đƣờng
kính
bánh
công tác
Nhiệt độ
Tốc độ cực đại
ntk(v/ph)
Công
Lƣu
Tỷ số
cực đại cho Hiệu suất
lƣợng
tăng áp
phép của
máy nén
động cơ
Gk(kg/s)
π*k
khí thải
ηk
tăng áp
suất của
ttk(oC)
D2(mm)
35 – 220 25000-250000 0,01-2,5 1,4-3,5
550-950
Ne(kW)
0,67-0,80
15-750
Tuabin tăng áp lƣu lƣợng nhỏ thƣờng sử dụng tuabin tăng áp hƣớng kính vì
với lƣu lƣợng nhỏ, suất tiêu hao nhiên liệu của tuabin hƣớng kính cao hơn tuabin
hƣớng trục, ngoài ra còn có thêm những ƣu nhƣợc điểm đặc biệt: quán tính nhỏ,
tính tăng tốc tốt, dung tích cấu tạo đơn giản,
1.1.3.2.Tuabin tăng áp hướng trục
Tuabin do tuabin hƣớng trục và máy nén tạo nên. Các thông số chính của
tuabin tăng áp hƣớng trục đƣợc giới thiệu trên bảng 1-2
Bảng 1.2. Thông số chính của tuabin tăng áp hƣớng trục
Tỷ
Đƣờng
kính bánh
Tốc độ cực
công tác
đại ntk(v/ph)
D2(mm)
220 – 1000 5000-35000
Nhiệt độ
Lƣu
số
cực đại
Hiệu suất
lƣợng
tăng
cho phép
máy nén
Gk(kg/s)
áp
của khí
ηk
π*k
thải ttk(oC)
~4
500-700
1,5-3,5
0,75-0,86
Công suất
của động
cơ tăng áp
Ne(kW)
150-30000
Tuabin tăng áp thƣờng có đặc điểm: lƣu lƣợng lớn, hiệu suất cao, thích hợp
với động cơ diesel có công suất cớ lớn và cỡ vừa.
1.1.4. Các hệ thống tăng áp tuabin khí
Dựa vào phƣơng thức và mức độ sử dụng năng lƣợng của sản vật cháy, ngƣời
ta chia các hệ thống tăng áp tuabin thành hai loại: hệ thống đẳng áp và hệ thống
biến áp (hoặc biến áp)
7
1.1.4.1. Hệ thống đẳng áp (hình 1.5a)
Trong hệ thống đẳng áp, khí xả từ các xy lanh đƣợc đƣa vào một đƣờng ống
góp chung, với dung tích đủ lớn, tạo ra áo suất ổn định, trƣớc khi đi vào tuabin,
nhờ đó hiệu suất tuabin khá cao. Ngoài ra đƣờng thông trong tuabin đƣợc giảm
tƣơng đối, rung động do dòng khí tạo ra đối với cánh tuabin ít đi nên cánh ít hỏng
a)
b)
Hình 1.5. Hai loại cơ bản của hệ thống tăng áp tuabin
a) Hệ thống đẳng áp; b) hệ thống biến áp; I-đƣờng nạp; II-đƣờng thải
Cấu tạo đƣờng ống thải của hệ thống đẳng áp đơn giản, dễ bố trí, bảo dƣỡng,
giá thành chế tạo nhỏ, rất thích hợp với động cơ chữ V. Có thể lựa chọn tƣơng đối
tự do số lƣợng và cách bố trí tuabin tăng áp, về mặt phân nhóm ống thải cũng nhƣ
chiều dài ống thải đều không hạn chế.
Với áp suất tăng áp pk lớn, năng lƣợng khí thải đƣợc sử dụng tốt trong hệ
thống đẳng áp, lúc đó năng lƣợng biến áp suy giảm không thể gây ra phản xạ trở
lại trong miệng phun, giảm đƣợc tổn thất công trong quá trình thải của động cơ.
Nhờ đó khi động cơ chạy ở tải lớn, suất tiêu hao nhiên liệu có ích tƣơng đối thấp.
Ngày nay động cơ diesel bốn kỳ áp suất tăng áp ngày một nhiều, do đó hệ thống
đẳng áp đƣợc sử dụng ngày càng nhiều, phần lớn động cơ hai kỳ cũng sử dụng hệ
thống đẳng áp. Tuy nhiên dùng hệ thống đẳng áp, khi động cơ chạy ở các chế độ:
tải nhỏ, khởi động thấp tốc và tăng tốc tính năng của động cơ kém hơn so với hệ
8
thống biến áp. Hệ thống đẳng áp rất thích hợp cho động cơ tĩnh tại và động cơ tàu
thủy.
1.1.4.2. Hệ thống tăng áp kiểu xung (hình 1.5b)
Đặc điểm của hệ thống này là tìm mọi cách duy trì dao động áp suất trên
đƣờng thải. Vì vậy thƣờng lắp các tuabin tăng áp gần sát với các xy lanh đồng thời
tạo các đƣờng ống thải từ xy lanh ra nhỏ và ngắn. Mặt khác để tránh hiện tƣợng
can thiệp xảy ra trên ống thải phải phân nhóm hợp lý, ghép các xy lanh không có
hoặc có rất ít thời gian trùng điệp và chung một nhóm. Đƣờng thải trong hệ thống
biến áp phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Cấu tạo của ống thải đơn giản, thống nhất, không gây các đƣờng ngoặt đột
ngột, không có chỗ thắt hoặc phình đột ngột, bán kính chuyển hƣớng của dòng
chảy phải lớn, tìm một cách rút ngắn đƣờng thải;
- Mỗi nhóm đƣờng ống thải, tốt nhất cần tạo các mạch xung có khoảng cách
góc quay bằng nhau. Tiết diện lƣu thông của đƣờng thải phải nhỏ, lấy xấp xỉ bằng
tiết diện lớn nhất của xupap thải và bằng tiết diện ống dẫn vào tuabin;
- Đối với tuabin tăng áp cần đƣa xung áp suất thải của xy lanh vào tuabin theo
thứ tự và với khoảng cách góc đều nhau để giảm bớt tổn thất.
Vì vậy khi chọn trình tự làm việc của các xy lanh cần lƣu ý đến yêu cầu bố trí
ống thải của hệ thống biến áp.
Ngoài ra, còn có các hệ thống tăng áp khác nhƣ: tăng áp cơ khí; tăng áp khí
động; tăng áp phức hợp và tăng áp bằng sóng khí.
1.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng tới trạng thái kỹ thuật của tổ hợp tuabin khí máy
nén
1.1.5.1. Ảnh hưởng của yếu tố thời gian
Sau một thời gian làm việc tình trạng kỹ thuật của tuabin khí máy nén xấu đi rất
nhiều, điều này làm hiệu suất của hệ thống cũng bị suy giảm. Sau một thời gian
làm việc sẽ gây ra cho tổ hợp tuabin khí máy nén những tác động sau:
9
- Trục rôto có thể bị cong, khi đó rô to sẽ không còn cân bằng sẽ làm rung động
mạnh toàn dàn máy nén và cánh tuabin. Do vậy sự chảy của dòng khí lên prophin
cánh xấu đi gây ra tách dòng, gián đoạn dòng nên hệ số dự trữ chống mất ổn định
của máy nén sẽ giảm đi nhiều.
- Các cánh bị mài mòn, méo, dập xƣớc ngoài việc gây mất cân bằng cũng làm
dòng chảy của không khí xấu đi.
- Dàn cánh tuabin không cứng, vững do sợi dây liên kết giữa các cánh bị đứt,
lỏng hoặc mòn cũng làm dòng khí vào máy nén bị dao động.
- Đƣờng không khí nén tới phần làm kín khí xả trên trục rôto bị tắc ngẽn do
muội sẽ làm rò lọt khí xả và muội ở khu vực ổ làm kín. Sức cản ma sát rôto tăng
lên, hiệu suất máy nén giảm và lƣu lƣợng khí xả giảm.
- Các vòng bi, ổ đỡ bị mài mòn quá mức, việc điều chỉnh các khe hở dọc trục và
hƣớng kính giữa các bộ phận của rô to với vỏ tuabin, máy nén không chính xác sẽ
làm rô to bị rung động và giảm hiệu suất công tác của tuabin máy nén, vòng quay
máy nén và lƣu lƣợng không khí giảm.
- Tình trạng dầu bôi trơn sau một thời gian làm việc sẽ kém dần, nên khả năng
bôi trơn trục rô to kém đi sẽ làm mất cân bằng cho trục rô to.
- Sau thời gian làm việc muội bẩn sẽ bám vào các cánh hƣớng, phin lọc gió máy
nén làm các cánh tuabin, máy nén mất cân bằng gây rung động tuabin, máy nén,
gây lệch dòng khí làm giảm vòng quay và hiệu suất tuabin khí máy nén.
- Do các cơ sở gia công khác với thiết kế, chất lƣợng thấp, không đúng kích
thƣớc và hình dáng động học nguyên mẫu. Các cánh tuabin máy nén xấu, vòng bi
hoặc bạc đỡ trục rô to không đồng tâm sẽ làm cho dòng chảy bao phủ lên cánh xấu
đi (do rung động của rô to) làm chế độlàm việc của tổ hợp tuabin máy nén dễ rơi
vào vùng mất ổn định.
1.1.5.2. Ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật động cơ
Trạng thái kỹ thuật động cơ có ảnh hƣởng rất lớn đến trạng thái kỹ thuật của tổ
hợp tuabin khí máy nén. Khi trạng thái kỹ thuật của động cơ kém đi có thể do: tình
trạng kỹ thuật của vòi phun, bơm cao áp, tình trạng kỹ thuật của nhóm piston-xy
10
lanh, tình trạng kỹ thuật của nhóm xupap hút, xả… làm cho quá trình cháy kém,
cháy không hoàn toàn, nhiệt độ khí xả cao, trong khí xả có nhiều CO. Khi khí xả
có nhiệt độ cao và có nhiều CO đƣa tới giãn nở trong tuabin làm cho muội bám
trên các cánh tuabin và ống phun, làm tăng tổn thất trong tuabin, vòng quay tuabin
giảm.
1.1.5.3. Ảnh hưởng do người khai thác
- Do trình độ và ý thức của ngƣời khai thác có thể dẫn đến trạng thái kỹ
thuật của tổ hợp tuabin khí máy nén ngày càng xấu đi, thậm chí có thể gây ra sự cố
cho tuabin, máy nén.
- Do khai thác không đúng với quy trình hƣớng dẫn của nhà chế tạo nhƣ:
không vận hành đúng, do không vệ sinh tổ hợp tuabin khí máy nén định kỳ, làm
cho hiệu suất của tổ hợp tuabin khí máy nén giảm đi.
- Do không thƣờng xuyên vệ sinh phin lọc máy nén mà máy nén thông
thƣờng hút khí trực tiếp từ trong buồng máy có rất nhiều hơi dầu và bụi bẩn, các
bụi bẩn và hơi dầu bám vào phin lọc máy, làm giảm lƣu lƣợng không khí vào máy
nén. Ở vòng quay không đổi thì làm lƣu lƣợng không khí ra khỏi máy nén cũng
giảm làm áp suất pk giảm. Nhƣ vậy hiệu suất máy nén sẽ giảm.
- Do vệ sinh tổ hợp tuabin máy nén không đúng quy trình nhà chế tạo
1.1.5.4. Ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật của tổ hợp tuabin khí máy nén đến các
thông số áp suất tăng áp, vòng quay tuabin.
Khi trạng thái kỹ thuật tuabin khí máy nén kém đi làm cho vòng quay tuabin
giảm, vòng quay máy nén giảm làm giảm áp suất gió tăng áp, lƣu lƣợng không khí
nạp vào động cơ giảm. Trên (hình 2.4) là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa cột áp
và lƣu lƣợng của máy nén khi vòng quay trên trục tuabin thay đổi.
Do tình trạng kỹ thuật của động cơ diesel, do tình trạng của cánh hƣớng,
cánh động tuabin, tình trạng của chính tổ hợp tuabin khí kém làm vòng quay của rô
to tuabin giảm (vòng quay rô to máy nén giảm)
11
1.2. Ảnh hƣởng của chất lƣợng tăng áp tới các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của
động cơ
1.2.1. Tăng áp là một trong các đường hướng hiệu nghiệm để nâng cao công
suất NL và NF của động cơ
Ta thấy công suất ldm2 diện tích đỉnh piston NF phụ thuộc và tỷ lệ thuận với
ρk và hệ số nạp ηv.
Khi tăng áp sẽ làm tăng áp suất pk phía trƣớc xupap nạp nhờ đó làm tăng ρk.
Nhƣ vậy NL và NF tỷ lệ thuận với ρk, do đó tỷ lệ thuận với Pk và tỷ lệ nghịch với
Tk. Khi tăng áp cả pk và Tk đều tăng, muốn cho NL và NF là hàm tuyến tính pk cần
phải giữ cho Tk không đổi hoặc ít thay đổi, muốn vậy cần làm mát trung gian cho
không khí tăng áp sau máy nén, trƣớc khi nạp vào động cơ. Biện pháp trên chẳng
những đảm bảo cho NL và NF là hàm tuyến tính của pk mà còn có tác dụng hạn chế
mức tăng nhiệt độ môi chất trong chu trình qua đó hạn chế phụ tải nhiệt, kéo dài
tuổi thọ cho các chi tiết động cơ.
Khi tăng pk sẽ làm tăng tỉ số pa/pk(pa– áp suất cuối quá trình nạp, đầu quá trình
nén) nhờ đó ηvsẽ tăng. Ta thấy rằng: pT/pkcó ảnh hƣởng lớn tới ηvkhi thực hiện
quét buồng cháy; góc trùng điệp φ1-4 càng lớn ảnh hƣởng trên càng mạnh. Với góc
trùng điệp φ1-4nhất định, chỉ cần giảm pT/pktới giá trị nào đó sẽ đạt ηv cực đại, sau
đó tiếp tục giảm pT/pk, ηvsẽ không bị ảnh hƣởng, điều đó nói rõ lúc đó khí sót đã
đƣợc quét sạch khỏi buồng cháy. Động cơ sau khi tăng áp sẽ làm cho tỷ số pT/pkgiảm dần khi tăng pk; tạo điều kiện thuận lợi cho việc quét buồng cháy. Nếu
chọn hợp lý góc trùng điệp φ1-4và tổ chức tốt quá trình quét buồng cháy sẽ đạt
đƣợc mục tiêu nâng cao hệ số nạp ηv và làm tăng lƣợng môi chất mới nạp vào động
cơ.
Hệ số nạp ηv của các loại động cơ diesel thƣờng nằm trong phạm vi:
+ Động cơ diesel bốn kỳ không tăng áp
-
Động cơ thấp tốc: ηv= 0,8 ÷ 0,90
-
Động cơ cao tốc: ηv= 0,75 ÷ 0,85
12
+ Động cơ diesel bốn kỳ tăng áp: ηv= 0,90 ÷ 1,05
Biện pháp cƣờng hóa đối với động cơ diesel đƣợc thực hiện theo hai cách sau:
cách thứ nhất tăng số vòng quay n của động cơ, phát triển động cơ cao tốc và cách
thứ hai là tăng áp suất và giảm nhiệt độ môi chất mới trƣớc khi nạp vào động cơ,
phát triển động cơ tăng áp làm mát trung gian cho khí nén. Nâng cao số vòng quay
của động cơ bị hạn chế bởi nhiều yếu tố liên quan đến tổ chức chu trình, vật liệu và
công nghệ chế tạo v.v…, tăng áp trên cơ sở không thay đổi số vòng quay n mà chỉ
là tăng mật độ qua đó làm tăng khối lƣợng môi chất mới nạp vào xy lanh trong mỗi
chu trình. Ngƣời ta đã sử dụng rộng rãi biện pháp tăng áp tuabin khí nhằm tránh
dùng công suất có ích để dẫn động máy nén khí, nhờ đó tiết kiệm năng lƣợng của
động cơ.
1.2.2. Tăng áp tuabin khí là một trong các biện pháp hiệu nghiệm nhằm tiết
kiệm năng lượng
Trong số năng lƣợng nhiệt cung cấp cho động cơ không tăng áp, chỉ có
khoảng 30 – 40% đƣợc chuyển thành công có ích, nhiệt vật lý của khí thải đem ra
ngoài trời chiếm khoảng 40 – 50%. Nếu dùng tuabin khí để số khí thải có nhiệt độ
cao kể trên đƣợc tiếp tục giãn nở sinh công, trƣớc khi thải ra ngoài trời và dùng
công ấy để dẫn động máy nén tăng áp ( tránh dùng công suất có ích của động cơ)
sẽ có thể nâng cao công suất có ích và cải thiện tính kinh tế của động cơ. Tăng áp
tuabin khí chính là một thiết bị thực hiện việc thu hồi một phần năng lƣợng của khí
thải, số năng lƣợng thu hồi này chiếm tới 5-10% toàn bộ năng lƣợng nhiệt cấp cho
động cơ.
1.2.2.1. Ảnh hưởng của tăng áp tuabin khí tới ηi
Mối quan hệ giữa suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge, hiệu suất chỉ thị ηi và hiệu
suất cơ giới ηm đƣợc thể hiện ở công thức sau:
ge =
3,6.10 6
η 𝑖 .η 𝑚 .𝑄
, g/kW.h(1-1)
13
- Xem thêm -