Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 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. 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. 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].
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. 8 Tua bin đẳng áp, khí xả từ các xy lanh được góp vào bầu khí xả chung rồi chuyển động vào trong xy lanh, thường được sử dụng trên động cơ diesel 2 kỳ tàu thủy. Ưu điểm cơ bản là hiệu suất tua bin sẽ cao hơn nếu dòng khí xả có áp suất ổn định.
Tuy nhiên, ở chế độ nhỏ tải, khí xả của động cơ không cung cấp đủ năng lượng để duy trì tua bin tăng áp hoạt động ổn định. Do đó, ở các chế độ nhỏ tải hay ma nơ điều động tàu, động cơ diesel máy chính phải dùng thêm quạt gió phụ. Một số hệ thống tăng áp dạng này có thể tận dụng không gian phía dưới piston để làm máy nén khí. Tua bin xung áp, khí xả từ hai hoặc ba xy lanh được góp vào một đường ống chung, sau đó đưa vào tua bin, thường sử dụng trên động cơ diesel 4 kỳ tàu thủy.
So với tăng áp đẳng áp có cùng kích thước, tăng áp xung áp có hiệu suất cao hơn do tận dụng được động năng của dòng khí xả. Đối tượng nghiên cứu trong luận án là động cơ máy chính MAK43, là động cơ diesel tàu thủy 4 kỳ sử dụng tua bin tăng áp kiểu xung áp. Theo hướng của dòng khí xả vào tua bin. Tua bin được phân chia thành hai loại chính là tua bin hướng trục và tua bin hướng kính.
Tua bin hướng trục có dòng khí vào tầng cánh tua bin theo hướng song song với trục tua bin. Ở các chế độ tốc độ cao, hiệu suất tua bin hướng trục thấp, tuy nhiên tua bin hướng trục đạt hiệu suất cao ở các chế độ lưu lượng lớn. Loại tua bin này thường dùng cho các động cơ diesel tàu thủy thấp tốc và trung tốc. Tua bin hướng kính có dòng khí chảy trong rãnh cánh tua bin theo hướng từ ngoài biên vào tâm.
Ưu điểm của tua bin hướng kính là kích thước nhỏ gọn, hiệu suất tua bin cao với số vòng quay tua bin lớn, tuy nhiên khi lưu lượng lớn, hiệu suất tua bin giảm mạnh. Loại tua bin này thường được dùng cho động cơ diesel lai máy phát điện trên tàu hoặc các loại động cơ cơ giới trên bộ. Hư hỏng và sự cố thường gặp trong khai thác của tua bin tăng áp trên động cơ diesel tàu thủy Trong khai thác TBTA có một số hư hỏng và sự cố thường gặp: ho máy nén; tổn hao lớn dầu và rò lọt khí xả vào khoang dầu bôi trơn trục tua bin; va đập 9 cơ khí bất thường; tua bin bị rung động mạnh, các bạc đỡ trục bị phá hủy; gãy cánh tua bin v. Hiện tượng ho máy nén (còn gọi là ho tua bin) xuất hiện trong quá trình phối hợp công tác của TB–MN và động cơ diesel.
Tại thời điểm đó, áp suất khí nén trong tuyến nạp cao hơn áp suất khí nén mà máy nén ly tâm của TBTA tạo ra được, dẫn tới không khí từ tuyến nạp bị thổi ngược qua tầng máy nén ly tâm ra bên ngoài. Hậu quả là trục MN bị hãm đột ngột và gây va đập trong MN, dẫn tới vòng quay động cơ diesel bị giảm đột ngột do thiếu khí nạp và bị dao động mạnh. Trong nhiều trường hợp cả động cơ, hệ trục chân vịt và thân tàu bị rung động mạnh, xuất hiện các âm thanh bất thường. Hiện tượng này có thể lặp lại theo chu kỳ nếu nguyên nhân của nó chưa bị loại bỏ.
Một số biện pháp sơ bộ để xử lý hiện tượng ho máy nén là [9] [18]: Giảm tốc độ vòng quay cho động cơ, giảm từ từ và kết hợp với các biện pháp khác cho đến khi hết hiện tượng ho; xả bớt khí trên đường ống nạp ra ngoài trời; loại bỏ các bất thường trong việc cung cấp nhiên liệu cho từng xy lanh của động cơ; vệ sinh tuyến nạp và xả của động cơ, vệ sinh cánh tua bin, cánh máy nén và ống phun; tăng cường sự làm việc ổn định của hệ thống nạp–xả bằng van xả hoặc bộ điều chỉnh ống phun khí xả vào tầng cánh tua bin. Tiêu hao nhiều dầu bôi trơn cho tua bin tăng áp và khí xả động cơ có khói đen. Đường dầu bôi trơn sau khi đi bôi trơn tua bin bị tắc, tràn ra ngoài hệ trục vào khoang xả khí của tua bin, gây cháy, hao tổn dầu bôi trơn trong hệ thống và có khói đen trong khí xả từ động cơ. Trục tua bin bị mài mòn quá mức, dầu bôi trơn rò lọt ra ngoài cũng là nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt giảm dầu bôi trơn trong hệ thống và gây khói đen [18].
Điểm nguy hại trong tình huống này là cánh tua bin rất hay bẩn, dẫn đến mất cân bằng động, dễ gây đến các dao động mạnh, phá hủy gối đỡ trục TB–MN và dẫn đến nhiều sự cố nguy hiểm. Những sự cố nguy hiểm này dẫn đến phải treo tua bin, động cơ hoạt động không có tua bin tăng áp. Hiện nay, đa phần các động cơ máy chính lai chân vịt tàu thủy đều có mức độ tăng áp cao, nên khi bị treo tua bin tăng áp thì công suất và các thông số động cơ giảm mạnh, tốc độ tàu giảm rõ rệt và khó có thể hành trình khi gặp thời tiết xấu. Xu hướng phát triển của tua bin tăng áp trên động cơ diesel tàu thủy hiện nay Trên động cơ diesel tàu thủy, TBTA được sử dụng với nhiều hướng khác nhau, phụ thuộc vào nguyên lý hoạt động của động cơ (động cơ 4 kỳ hay 2 kỳ), chức năng của động cơ là máy chính hay máy phụ, hoạt động ở các chế độ ma nơ điều động nhiều hay ít v.
Trên cơ sở đó các hãng chế tạo đưa ra nhiều sơ đồ bố trí kết cấu hệ thống tăng áp cho động cơ. Tăng áp nhiều cấp (Compound turbocharger). Phổ biến là động cơ diesel sử dụng tăng áp 2 cấp, gồm hai bộ tua bin và máy nén nối tiếp, ví dụ như các loại của hãng Yanmar, MAN, Sulzer v. So với tăng áp một cấp, tăng áp nhiều cấp có lợi ích hơn về tỷ số tăng áp, dễ thích ứng hơn với nhiều chế độ hoạt động của động cơ, đáp ứng được yêu cầu của tất cả các chế độ tải.
Tuy nhiên hệ thống này có đường ống phức tạp, cồng kềnh, phải làm mát nhiều lần, chi phí chế tạo cao. Tăng áp kết hợp quạt gió phụ (Auxialary Blower).