Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất động cơ diesel tàu thủy" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Quang Vinh, chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực (mã số: 9520116) tại Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM năm 2021, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Bùi Hồng Dương và PGS. Đỗ Đức Lưu.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Đối với động cơ diesel tàu thủy (Marine Diesel Engine - MDE), tăng áp bằng tua bin khí xả (TBTA) là phương thức chủ đạo để gia tăng công suất, cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu và giảm thiểu phát thải ô nhiễm. Trong thực tế vận hành tại Việt Nam, các động cơ chính (lai chân vịt) và động cơ phụ (lai máy phát điện) sau thời gian dài khai thác thường gặp phải hiện tượng suy giảm công suất nghiêm trọng, tiêu hao nhiên liệu tăng cao và nhiệt độ khí xả vượt ngưỡng định mức. Sự suy giảm này chủ yếu bắt nguồn từ sự xuống cấp của hệ thống trao đổi khí, khiến lượng không khí nạp không đủ để duy trì quá trình cháy hoàn chỉnh.

Để khắc phục tình trạng trên, thực tế bảo dưỡng sửa chữa tại các nhà máy và công ty vận tải biển đã áp dụng biện pháp thu hẹp tiết diện ống phun (Turbine Nozzle) trong tua bin tăng áp nhằm tăng tốc độ dòng khí xả vào bánh công tác tua bin, nâng cao áp suất khí nạp. Tuy nhiên, các can thiệp này hoàn toàn mang tính kinh nghiệm thực hành, thiếu cơ sở lý thuyết định lượng và mô hình tính toán khoa học để xác định chính xác thông số tối ưu. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước phần lớn tập trung vào việc thiết kế TBTA cho động cơ mới xuất xưởng của các hãng chế tạo, chưa có công trình nào giải quyết bài toán điều chỉnh tiết diện và góc dẫn hướng ống phun để phục hồi công suất cho các dòng động cơ diesel tàu thủy đã qua khai thác.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chung của luận án là nghiên cứu ảnh hưởng của 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.

Các mục tiêu cụ thể được xác định bao gồm:

  1. 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.
  2. Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của tiết diện và góc dẫn hướng ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy.
  3. 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.
  4. 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.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Ống phun trong cụm tua bin tăng áp của hai loại động cơ diesel tàu thủy gồm Deutz 226B và MAK43 đang trong quá trình khai thác.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Mô hình toán và mô phỏng: Áp dụng cho chu trình nhiệt động của động cơ diesel 4 kỳ tăng áp bằng tua bin xung áp, bao gồm động cơ Deutz 226B sử dụng tua bin hướng kính và động cơ MAK43 sử dụng tua bin hướng trục.
    • Thực nghiệm phòng thí nghiệm: Thực hiện trên động cơ Deutz 226B (trang bị tua bin Garrett GT1749V có ống phun hướng kính) đặt tại Phòng thí nghiệm động cơ - Viện Khoa học và Công nghệ Hàng hải, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.
    • Thực nghiệm trên tàu thực tế: Thực hiện trên động cơ chính MAK43 (ống phun hướng trục) lắp đặt trên tàu vận tải biển Phúc Hưng thuộc Công ty Cổ phần Vận tải biển GLS. Đối với động cơ MAK43, nghiên cứu chỉ tập trung khảo sát ảnh hưởng của tiết diện ống phun ($A_T$), không khảo sát góc dẫn hướng ($\alpha_t$).
    • Giới hạn kỹ thuật: Luận án tập trung đánh giá công suất và các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cơ bản (áp suất khí nạp $p_s$, nhiệt độ khí xả $T_e$, suất tiêu hao nhiên liệu $g_e$); không nghiên cứu chuyên sâu về độ bền mỏi, tuổi thọ chi tiết, dao động cơ học, các chỉ tiêu thành phần khí thải chi tiết cũng như các chế độ làm việc quá độ (chuyển tiếp).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Tăng áp bằng tua bin khí xả được kỹ sư người Thụy Sỹ Alfred Buchi đăng ký phát minh năm 1905 và được ứng dụng lần đầu trên tàu thủy sau Chiến tranh thế giới thứ nhất (trên động cơ MAN 4 kỳ 10 xy lanh của tàu Preussen và Hansestadt Danzig, nâng công suất từ 1250 kW lên 1840 kW). Hãng Garrett tiếp tục đăng ký phát minh công nghệ điều khiển ống phun vào năm 1953. Luận án đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu quốc tế liên quan:

  • Lý thuyết nhiệt động và quá trình công tác trong xy lanh: Nền tảng quá trình cháy và truyền nhiệt dựa trên mô hình Wiebe kép và mô hình Woschni, được phát triển bởi các tác giả Heywood, Watson và Jonata, Ferguson và Kirkpatrick, Benson và Whitehouse, Woodyard, Wilbur, Lars Eriksson. Lý thuyết mô hình giá trị trung bình (Mean Value Engine Model - MVEM) và mô hình dòng không chiều (zero-dimensional) được ứng dụng rộng rãi bởi Theotokatos, Jensen, Hendrick, Malkhede, Dinescu.
  • Mô hình hóa đặc tính khí động tua bin: Sieros và Xiande mô hình hóa lưu lượng khí qua đa thức bậc hai và hàm số mũ của tốc độ tua bin $n_t$ và tỷ số giãn nở $\pi_t$. Moraal, Kolmanovsky và Lars Eriksson mô hình hóa hiệu suất tua bin theo tỷ số tốc độ cánh $R_{bs}$. Kang, Wahlstrom và Zeng thiết lập mô hình công suất tua bin gắn liền với góc dẫn hướng và cấu trúc hình học ống phun, đạt độ sai lệch 4,5% so với thực nghiệm.
  • Mô phỏng tổ hợp động cơ - tua bin: Theotokatos sử dụng GT-Power mô phỏng động cơ diesel 2 kỳ (sai lệch 3%); Yao sử dụng AVL Boost phân tích tổn thất năng lượng; Chryssakis ứng dụng lý thuyết động lực học chất lưu (CFD) qua phần mềm KIVA; Soares, Yuanyuan, Maftei và Baldi sử dụng môi trường Matlab/Simulink mô phỏng động cơ MAN 18V32 và hệ thống động lực tàu thủy. Trong đó, Baldi và cộng sự đã chỉ ra việc giảm tiết diện ống phun giúp giảm nhiệt độ khí xả và suất tiêu hao nhiên liệu nhưng chưa định lượng được điểm tối ưu.
  • Nghiên cứu thực nghiệm và công nghệ ống phun: Rajoo nghiên cứu cơ cấu van xoay (góc xoay $40^\circ - 80^\circ$) trong tua bin hỗn hợp; Jiaqiang và cộng sự thử nghiệm trên động cơ YC6J200-42 (147 kW) cho thấy tua bin điều chỉnh ống phun giúp giảm 6% suất tiêu hao nhiên liệu; Jaehoon Cheong xác nhận mô men xoắn tăng 44% ở dải tốc độ thấp trên động cơ 2.5L; Matsumoto chế tạo ống phun bằng hợp kim Ni35Cr5Si2 chịu nhiệt độ 1287 K ($1050^\circ\text{C}$); Sapra và S Cong chứng minh phản áp làm tăng $6,7%$ nhiệt độ khí xả khi phản áp tăng 0,5 bar; Wang và cộng sự tối ưu độ mở ống phun cho động cơ ở độ cao 1920 m; Samoilenko và cộng sự thử nghiệm trên động cơ V6 giảm 10% $g_e$ và giảm $40^\circ\text{C}$ nhiệt độ xả; Zang và cộng sự nghiên cứu tua bin J110 giúp giảm $8,1\text{ g/kW.h}$ tiêu hao nhiên liệu. MHI phát triển dòng tăng áp lai máy phát MET83MAG (trên động cơ 7S65ME-C) và tua bin hai cửa vào (twin turbine); ABB phát triển thế hệ tăng áp TPR 61.

Các hướng nghiên cứu trong nước

Các nghiên cứu trong nước tập trung vào hai nhánh chính:

  • Mô hình toán và mô phỏng nhiệt động: Lê Anh Tuấn sử dụng bộ phần mềm AVL (Boost, Tycon, Exciter) mô phỏng động cơ D1146TI với cụm tăng áp Garrett, nâng công suất từ 131 kW lên 177 kW ở 2300 v/ph (tỷ số tăng áp 2,29); Huỳnh Thành Công cải tiến họng nạp trên động cơ RV165-2 bằng AVL Boost giúp tăng hệ số nạp 11,79% và công suất tăng 18,79%; Lê Văn Điểm và cộng sự ứng dụng Ansys Fluent mô phỏng dòng khí xả qua tua bin VTR 160 của động cơ Sulzer 3AL25/30. Các tác giả Nguyễn Tất Tiến, Phạm Minh Tuấn, Hà Quang Minh, Lê Viết Lượng đóng góp các cơ sở lý thuyết nhiệt động nền tảng.
  • Nâng cao chất lượng khai thác hệ động lực tàu thủy: Lương Công Nhớ và cộng sự ứng dụng logic mờ xác định 20% nguyên nhân suy giảm công suất do biến dạng/tắc hệ thống xả, trên 80% do sinh hàn gió và 3-5% do phản áp; Lê Đình Vũ dùng Star-CD thiết kế hệ thống nạp-thải cho động cơ DSC 80 (tăng 30% công suất); Nguyễn Văn Tuấn đánh giá sự suy giảm 50% tình trạng kỹ thuật tuyến xả và ống phun làm tăng 35-40% nhiệt độ khí xả; Nguyễn Đại An cải tiến hệ thống nạp-thải động cơ Sông Công D242 (tăng 10% công suất, giảm 8% $g_e$); Nguyễn Tiến Hán lắp đặt cụm tăng áp GT2554R lên động cơ D243 (tăng 46,6% công suất, giảm 7,27% $g_e$); Phan Văn Quân phân tích tác động của sức cản thân tàu làm dịch chuyển điểm công tác, giảm áp suất khí nạp và gây quá nhiệt làm biến dạng cánh ống phun.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết

Mặc dù các nghiên cứu trong nước đã chỉ ra sự ảnh hưởng của hệ thống nạp-thải đến công suất động cơ, nhưng chưa có công trình nào đi sâu khảo sát định lượng tác động tương hỗ giữa hình học ống phun (tiết diện $A_T$ và góc dẫn hướng $\alpha_t$) với chu trình nhiệt động của động cơ diesel tàu thủy đang khai thác. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng phương pháp kết hợp mô hình hóa lý thuyết trên Matlab/Simulink với đo kiểm thực nghiệm trên cả mô hình thử nghiệm phòng thí nghiệm (Deutz 226B) và tàu biển thương mại đang vận hành (động cơ MAK43 trên tàu Phúc Hưng).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Nghiên cứu được xây dựng trên các định luật bảo toàn khối lượng, bảo toàn năng lượng và các phương trình nhiệt động học của môi chất khí:

  1. Chu trình công tác động cơ diesel 4 kỳ:

    • Quá trình trao đổi khí: Áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nạp ($p_a, T_a$), hệ số khí sót $\gamma_r$, và hệ số nạp $\eta_v$ được xác định theo quan hệ với tỷ số áp suất khí xả/khí nạp ($p_e/p_s$): $$\eta_v = \frac{T_s}{T_s + \Delta T_a} \frac{1}{\varepsilon - 1} \left( \varphi_{ch} \varepsilon - \varphi_s \frac{p_e}{p_s} \right)$$
    • Phương trình vi phân áp suất trong xy lanh: $$\frac{dp}{d\varphi} = -k \frac{p}{V}\frac{dV}{d\varphi} + \frac{k-1}{V}\left(\frac{dQ_{in}}{d\varphi} - \frac{dQ_w}{d\varphi}\right)$$
    • Quy luật phát nhiệt: Sử dụng mô hình Wiebe kép Watson: $$\frac{dx_f}{d\varphi} = \beta \frac{dx_{f,p}}{d\varphi} + (1-\beta)\frac{dx_{f,d}}{d\varphi}$$ Góc bắt đầu cháy $\varphi_s = \varphi_f - \Delta \varphi_i$, trong đó góc chậm cháy $\Delta \varphi_i$ được tính dựa trên trị số Cetan ($CN$), nhiệt độ cuối nén $T_c$ và áp suất cuối nén $p_c$.
    • Quy luật truyền nhiệt: Sử dụng mô hình Woschni để xác định hệ số truyền nhiệt $h_t(\varphi)$ qua vách buồng cháy có diện tích tức thời $A_w(\varphi)$: $$h_t = 3,26 , p^{0,8} , U^{0,8} , b^{-0,2} , T^{-0,55}$$ $$\frac{dQ_w}{d\varphi} = \frac{h_t(\varphi) A_w(\varphi) (T - T_w)}{2 n_e}$$

  2. Mô hình nhiệt động cụm tua bin - máy nén (TB-MN):

    • Máy nén ly tâm: Phân tích tam giác vận tốc Euler tại cửa vào ($C_1, U_1, W_1$) và cửa ra ($C_2, U_2, W_2$). Năng lượng chuyển hóa từ trục sang dòng chất công tác: $$W_c = \dot{m}c (U_2 C{2u} - U_1 C_{1u})$$
    • Tua bin khí xả (hướng kính và hướng trục): Mô hình hóa sự giãn nở nhiệt động qua đồ thị $h-s$ của dòng khí qua ống phun và tầng cánh công tác. Xác lập hệ phương trình công suất tua bin phụ thuộc trực tiếp vào góc dẫn hướng $\alpha_t$ và tiết diện lưu thông $A_T$ (hoặc độ mở ống phun $u_t$).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng số: Thiết lập cấu trúc khối trong môi trường Matlab/Simulink mô tả mối liên hệ giữa các phần tử: khối xy lanh động cơ, khối máy nén khí, khối tua bin khí xả, khối truyền nhiệt và khối cân bằng động lực học trục TB-MN.
  • Phương pháp thực nghiệm:
    • Thu thập dữ liệu thực nghiệm bằng hệ thống card thu thập NI 9203 kết nối máy tính qua phần mềm giám sát chuyên dụng.
    • Sử dụng các cảm biến nhiệt độ điện tử và cảm biến áp suất điện tử đo đạc liên tục các thông số: áp suất nạp $p_s$, nhiệt độ khí xả $T_e$, công suất có ích $P_w$, suất tiêu hao nhiên liệu $g_e$ và tốc độ vòng quay tua bin $n_t$.
    • Thực hiện hai bước thực nghiệm: bước một tại phòng thí nghiệm trên động cơ Deutz 226B nhằm kiểm chứng định luật biến thiên theo góc mở ống phun; bước hai trên động cơ MAK43 của tàu Phúc Hưng nhằm kiểm chứng hiệu chỉnh cơ khí thu hẹp tiết diện và xác nhận hiệu quả thực tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua bin tăng áp đến động cơ diesel tàu thủy

Chương 1 tổng hợp bức tranh toàn diện về vai trò của tăng áp khí xả và sự suy giảm tính năng của động cơ diesel tàu thủy trong quá trình khai thác. Tác giả trình bày bảng cân bằng nhiệt năng của động cơ diesel không tăng áp:

Dạng năng lượng Tỷ lệ chuyển hóa (%)
Công cơ học có ích 35
Nhiệt lượng truyền cho nước làm mát 15
Nhiệt lượng truyền cho dầu bôi trơn 5
Bức xạ nhiệt ra môi trường xung quanh 8
Nhiệt lượng do khí xả mang ra ngoài 37

Từ số liệu trên, 37% nhiệt lượng mất đi theo khí xả được tận dụng qua TBTA để dẫn động máy nén, tăng áp suất khí nạp $p_s$, tăng mật độ nạp và cải thiện công suất lít từ $20-25\text{ kW/dm}^3$ lên $40-45\text{ kW/dm}^3$, đưa áp suất có ích trung bình từ dưới 9 bar lên đến 24,38 bar (như trên động cơ MAK43 tàu Phúc Hưng).

Chương này cũng phân tích hiện tượng ho máy nén (compressor surge), sự cố mài mòn bạc đỡ và rò rỉ dầu bôi trơn làm bẩn cánh tua bin. Khi tàu khai thác sau một thời gian, sức cản thân tàu và chân vịt tăng từ 10% đến 20% sau 6 tháng xuống đà do hà bám, rong rêu và oxy hóa vỏ tàu. Điều này làm điểm công tác dịch chuyển sang vùng tải nặng, tốc độ vòng quay giảm xuống 80% - 90% định mức, nhiệt độ khí xả tăng cao. Luận án chỉ ra rằng trong các biện pháp duy tu bảo dưỡng định kỳ (chu kỳ 6000 giờ), phục hồi hệ thống phân phối khí mang lại hiệu quả cải thiện vòng quay 5% - 10%, cao hơn việc cân chỉnh hệ thống nhiên liệu (chỉ tăng 3% - 5%). Ống phun trong TBTA được phân loại thành ống phun hướng kính, hướng trục, cố định và điều chỉnh được (chiếm 63,3% thị phần tua bin toàn cầu năm 2020), là chi tiết then chốt quyết định động năng dòng khí vào bánh công tác.

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 2 tập trung thiết lập hệ thống phương trình giải tích cho toàn bộ chu trình nhiệt động của động cơ 4 kỳ và tổ hợp TB-MN:

  • Thiết lập công thức nhiệt độ cuối nạp $T_a = (T_s + \Delta T_a + \gamma_r T_r)/(1 + \gamma_r)$ với độ sấy nóng $\Delta T_a = 5-10\text{ K}$, tổn thất áp suất nạp $\Delta p_a = (0,03 - 0,1)p_s$, và nhiệt độ khí sót $T_r = 700 - 900\text{ K}$.
  • Tích hợp phương trình cháy Wiebe kép giải thuật toán tỏa nhiệt $\frac{dQ_{in}}{d\varphi}$ phân chia thành giai đoạn cháy nhanh (premixed) và giai đoạn cháy khuếch tán (diffusive).
  • Ứng dụng mô hình truyền nhiệt Woschni tính toán tổn thất truyền nhiệt qua vách buồng cháy $\frac{dQ_w}{d\varphi}$ gắn liền với vận tốc trung bình của piston $U_p$ và thể tích công tác tức thời $V_d$.
  • Xây dựng mô hình nhiệt động học cho máy nén ly tâm theo tam giác vận tốc Euler và mô hình dòng khí qua tua bin (hướng kính và hướng trục). Luận án xác lập hệ phương trình xác định công suất tua bin $P_t$ có chứa hai biến số điều khiển là tiết diện $A_T$ và góc dẫn hướng $\alpha_t$ của ống phun, làm cơ sở toán học cho việc lập trình mô phỏng.

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 3 triển khai thuật toán mô phỏng tổ hợp MDE - TBTA trên môi trường Matlab/Simulink:

  • Thiết lập mô hình khối chức năng cho động cơ Deutz 226B (kết hợp tua bin Garrett GT1749V) và động cơ MAK43.
  • Kết quả mô phỏng động cơ Deutz 226B ở tốc độ $1500\text{ v/ph}$ với các chế độ tải (100%, 50%, 25%) khi thay đổi độ mở ống phun $u_t$ từ 60% đến 100%: khi thu hẹp độ mở ống phun (giảm $u_t$), áp suất khí nạp $p_s$ tăng lên, làm tăng áp suất cực đại trong xy lanh $p_z$, dẫn đến tăng công suất có ích $P_w$, đồng thời làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu $g_e$ và hạ nhiệt độ khí xả $T_e$.
  • Kết quả mô phỏng động cơ MAK43 ở chế độ định mức (100% tải, 500 v/ph) và chế độ khai thác thực tế (65% tải): thiết lập các đồ thị quan hệ $P_w/P_{w,nor}$, $g_e/g_{e,nor}$, $T_e/T_{e,nor}$ theo diện tích ống phun $A_T$. Kết quả mô phỏng số chỉ ra khoảng giá trị tiết diện $A_T$ tối ưu giúp phục hồi công suất động cơ mà không làm tăng phản áp quá mức cho phép.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 kiểm chứng các kết quả mô phỏng thông qua hai hệ thống thực nghiệm độc lập:

  1. Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm (động cơ Deutz 226B):

    • Động cơ được kết nối với bệ thử, card thu thập dữ liệu NI 9203 và hệ thống cảm biến điện tử.
    • Thử nghiệm ở các chế độ 25% tải và 50% tải ở vòng quay 1500 v/ph, thay đổi độ mở ống phun $u_t$.
    • Kết quả đo kiểm thực tế xác nhận: khi giảm độ mở ống phun $u_t$, áp suất khí nạp tăng lên rõ rệt, suất tiêu hao nhiên liệu $g_e$ giảm và nhiệt độ khí xả $T_e$ giảm, công suất có ích $P_w$ được cải thiện tương ứng với quy luật đã mô phỏng trong Chương 3.

  2. Thực nghiệm trên tàu biển đang khai thác (động cơ MAK43 trên tàu Phúc Hưng):

    • Đo đạc thông số hình học và thực hiện gia công cơ khí thu hẹp tiết diện vành ống phun tua bin tăng áp theo thông số đã tính toán từ mô hình mô phỏng.
    • Kết quả so sánh trước và sau khi điều chỉnh giảm tiết diện ống phun:
      • Tốc độ vòng quay của tua bin tăng áp $n_t$ tăng lên.
      • Áp suất khí nạp $p_s$ trước xy lanh tăng, cung cấp đủ lượng không khí nạp cho quá trình cháy.
      • Nhiệt độ khí xả $T_e$ giảm rõ rệt, loại bỏ nguy cơ quá nhiệt buồng đốt và biến dạng cánh tua bin.
      • Suất tiêu hao nhiên liệu $g_e$ giảm và công suất khai thác của động cơ chính được phục hồi.
    • Đánh giá hiệu quả kỹ thuật - kinh tế dựa trên bảng thống kê số giờ hoạt động thực tế theo các dải phụ tải của tàu Phúc Hưng, có văn bản xác nhận từ đơn vị chủ quản là Công ty Cổ phần Vận tải biển GLS.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

Theo văn bản công bố, luận án đạt được 4 đóng góp mới chính:

  1. Thiết lập được một mô hình toán quá trình công tác của 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 hai thông số hình học là góc dẫn hướng ($\alpha_t$) và tiết diện ($A_T$) của ống phun.
  2. Xây dựng được chương trình phần mềm mô phỏng tổ hợp động cơ - tua bin tăng áp bằng ngôn ngữ lập trình Matlab/Simulink.
  3. 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 được tiết diện tối ưu của ống phun cho động cơ diesel tàu thủy cụ thể đang trong quá trình khai thác.
  4. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể 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 hình học ống phun trong tua bin tăng áp.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng mô hình toán và phần mềm mô phỏng đã xây dựng vào công tác tính toán, kiểm tra và dự báo thông số kỹ thuật khi thực hiện đại tu, sửa chữa cụm tua bin tăng áp cho các đội tàu vận tải biển.
  • Áp dụng giải pháp công nghệ điều chỉnh tiết diện ống phun đối với các động cơ chính lai chân vịt và động cơ phụ lai máy phát điện đã suy giảm công suất sau thời gian dài vận hành, thay thế cho phương pháp can thiệp thủ công theo kinh nghiệm trước đây.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Đối với động cơ MAK43 trên tàu thực tế, luận án mới chỉ thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của việc thay đổi tiết diện ống phun ($A_T$), chưa tiến hành khảo sát thực nghiệm đối với góc dẫn hướng ống phun ($\alpha_t$).
  • Chưa đánh giá ảnh hưởng dài hạn của việc thu hẹp tiết diện ống phun đến độ bền cơ học, tuổi thọ làm việc, ứng suất nhiệt tích lũy và rung động của các cụm chi tiết trong động cơ.
  • Chưa khảo sát chi tiết nồng độ các thành phần khí xả ô nhiễm (NOx, SOx, muội than) và các chế độ làm việc chuyển tiếp (quá độ) khi thay đổi kết cấu ống phun trong điều kiện vận hành trên biển.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng nghiên cứu điều khiển tự động góc dẫn hướng và tiết diện ống phun (công nghệ VGT/VNT) thích ứng theo thời gian thực cho các động cơ diesel tàu thủy công suất lớn.
  • Khảo sát toàn diện về mức độ phát thải khí xả đáp ứng các quy chuẩn môi trường hàng hải (MARPOL Tier II, Tier III) kết hợp đo đạc dao động và ứng suất nhiệt của cánh tua bin khi điều chỉnh ống phun.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực, Kỹ thuật tàu thủy, Khai thác máy tàu thủy. Phần cơ sở lý thuyết (Chương 2) với hệ phương trình tích hợp quá trình cháy Wiebe, truyền nhiệt Woschni và mô hình Euler cho cụm TB-MN là tài liệu tham khảo trong giảng dạy và nghiên cứu học thuật.
  • Kỹ sư thiết kế, mô phỏng: Có thể tham khảo cấu trúc mô hình khối và thuật toán giải phương trình vi phân tổ hợp MDE - TBTA xây dựng trên môi trường Matlab/Simulink (Chương 3).
  • Cán bộ kỹ thuật, giám sát tại các công ty vận tải biển và nhà máy sửa chữa tàu: Tham khảo phương pháp luận và quy trình thực nghiệm (Chương 4) để ứng dụng việc tính toán, gia công hiệu chỉnh tiết diện vành ống phun trong tua bin tăng áp, phục vụ công tác phục hồi công suất và tiết kiệm nhiên liệu cho các tàu vận tải biển đang khai thác.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ lệ năng lượng mà khí xả mang ra ngoài ở động cơ diesel không tăng áp là bao nhiêu và TBTA tận dụng nguồn năng lượng này như thế nào?
Theo bảng cân bằng nhiệt lượng trong luận án, động cơ diesel không tăng áp thải ra ngoài môi trường tới 37% tổng nhiệt lượng do nhiên liệu cháy sinh ra. Cụm TBTA sử dụng dòng khí xả mang năng lượng này để làm giãn nở sinh công trong tua bin, dẫn động máy nén ly tâm cung cấp không khí nạp có áp suất và mật độ cao vào xy lanh, giúp nâng cao hệ số nạp $\eta_v$, hoàn thiện quá trình cháy và tăng công suất động cơ mà không làm tiêu hao công suất cơ học trục khuỷu.

2. Luận án sử dụng những mô hình lý thuyết nào để mô tả quá trình công tác trong xy lanh động cơ?
Luận án sử dụng lý thuyết mô hình giá trị trung bình (MVEM) kết hợp mô hình dòng không chiều (zero-dimensional). Trong đó, quá trình phát nhiệt của nhiên liệu được mô tả bằng mô hình Wiebe kép Watson (tách biệt giai đoạn cháy nhanh và cháy khuếch tán); thời gian chậm cháy xác định theo hàm thực nghiệm phụ thuộc trị số Cetan; tốc độ truyền nhiệt qua vách buồng cháy được tính toán bằng mô hình hệ số truyền nhiệt Woschni.

3. Hai đối tượng động cơ cụ thể được nghiên cứu trong luận án là gì và phương thức thực nghiệm tương ứng như thế nào?
Hai đối tượng nghiên cứu là:

  • Động cơ Deutz 226B: Trang bị tua bin tăng áp Garrett GT1749V có ống phun hướng kính, được thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm động cơ - Viện Khoa học và Công nghệ Hàng hải (Trường Đại học Hàng hải Việt Nam) với hệ thu thập dữ liệu NI 9203 ở các mức tải 25%, 50% và 100%.
  • Động cơ MAK43: Động cơ chính 4 kỳ trang bị tua bin tăng áp xung áp có ống phun hướng trục, được thực nghiệm kiểm chứng trực tiếp trên tàu biển Phúc Hưng thuộc Công ty Cổ phần Vận tải biển GLS ở chế độ khai thác thực tế.

4. Việc thu hẹp tiết diện ống phun trong tua bin tăng áp mang lại những tác động kỹ thuật nào đối với động cơ diesel tàu thủy?
Khi thu hẹp tiết diện ống phun, vận tốc và động năng của dòng khí xả vào bánh công tác tua bin tăng lên, làm tăng tốc độ quay của tua bin và nâng cao áp suất khí nạp $p_s$. Lượng khí nạp tăng giúp quá trình cháy hoàn chỉnh hơn, làm tăng công suất có ích $P_w$, giảm suất tiêu hao nhiên liệu $g_e$ và giảm nhiệt độ khí xả $T_e$. Tuy nhiên, nếu thu hẹp tiết diện quá mức sẽ làm tăng phản áp trên đường xả, tăng hệ số khí sót $\gamma_r$ và gây tác dụng ngược làm giảm chất lượng nạp.

5. Luận án đã công bố những giới hạn phạm vi nghiên cứu nào?
Luận án công bố giới hạn: chỉ áp dụng cho động cơ 4 kỳ tăng áp xung áp; trên động cơ MAK43 chỉ nghiên cứu biến thiên tiết diện $A_T$ mà không nghiên cứu góc dẫn hướng $\alpha_t$; không đánh giá độ bền cơ học, tuổi thọ chi tiết, rung động, các thành phần phát thải ô nhiễm chi tiết và các chế độ làm việc quá độ của động cơ.

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Quang Vinh đã giải quyết một bài toán kỹ thuật xuất phát từ thực tiễn khai thác đội tàu biển Việt Nam bằng cách kết hợp cơ sở lý thuyết nhiệt động học, mô phỏng số trên Matlab/Simulink và kiểm chứng thực nghiệm hai cấp độ. Việc thiết lập hệ phương trình công suất tua bin gắn liền với các thông số hình học của ống phun đã lượng hóa được mối quan hệ giữa tiết diện, góc dẫn hướng ống phun với các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy 4 kỳ. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để thay thế phương pháp điều chỉnh kinh nghiệm trước đây, hỗ trợ các đơn vị vận tải biển phục hồi công suất khai thác, giảm tiêu hao nhiên liệu và hạ nhiệt độ khí xả cho các động cơ diesel đang vận hành.