Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Tổng quan về turbine tăng áp động cơ Diesel tàu thủy - Chương 3: Xây dựng và mô phỏng turbine khí xả TCR22 - Chương 4: Ứng dựng vào quy trình bảo dưỡng turbine TCR22 4 Do thời gian và khả năng có hạn, bản luận văn chắc chắn không tránh khỏi những sai sót. Rất mong sự tham gia góp ý của các Thầy, Cô giáo cùng các đồng nghiệp có quan tâm đến bài viết này. Xin được chân thành cảm ơn. 5 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ TURBINE TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 2.1 Lý thuyết tăng áp động cơ Diesel tàu thủy 2.1 Khái niệm chung về tăng áp Cơ sở lý luận để tăng công suất động cơ có thế bắt đầu từ các công thức cơ bản tính toán quá trình công tác như sau: - Lượng không khí nạp vào các xy lanh của động cơ Gkk [kg(kk)/công tác].1) Trong đó: i: số xy lanh Vs: thể tích công tác xy lanh ŋn: hệ số nạp γkk: khối lượng riêng của không khí nạp vào động cơ.
- Lượng nhiên liệu phun vào các xy lanh trong một chu trình Gnl [kg(nl)/ ct công tác].2) Trong đó: i: số xy lanh. qct: lượng nhiên liệu cấp theo chu trình. - Hệ số dư lượng không khí α tính cho một chu trình. - Công suất có ích của động cơ Ne [ml – mã lực].4) Trong đó: k: là hằng số.
pe: áp suất có ích bình quân. D: đường kính xy lanh. S: hành trình piston. i: là số xy lanh.
m: hệ số kỳ; m=1 với động cơ 2 kỳ; m=2 với động cơ 4 kỳ. Từ các công thức trên, muốn tăng công suất người ta phải tăng khối lượng nhiên liệu đốt cháy trong một đơn vị thời gian bằng cách thay đổi các thông số như: - Tăng số chu trình trong một đơn vị thời gian bằng cách tăng số vòng quay n (v/p) của động cơ. Khi tăng số vòng quay của động cơ sẽ gây khó khăn cho việc thực hiện các quá trình, đặc biệt quá trình cháy, cân bằng động và đảm bảo quá trình bôi trơn. - Tăng số xy lanh i hoặc kích thước cơ bản, bao gồm đường kính xy lanh D và hành trình piston S.
Khi đó sẽ kéo theo thể tích công tác của xy lanh Vs, dẫn đến kích thước và trọng lượng của động cơ tăng lên. 7 - Thay đổi số kỳ từ 4 kỳ thành 2 kỳ, dùng động cơ 2 kỳ (m=1) có thể tăng công suất gấp đôi động cơ 4 kỳ (m=2). Trên thực tế động cơ 2 kỳ có công suất lớn hơn từ 1,6 – 1,8 công suất động cơ 4 kỳ có cùng kích thước cơ bản. Tất cả các phương án nên trên, việc tăng công suất động cơ luôn kèm theo việc tăng các kích thước của động cơ đồng thời với việc tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động cơ.
Trên cơ sở công thức (2.4), việc tăng pe sẽ làm tăng công suất có ích của động cơ Ne. Hiệu suất chỉ thị ŋi phụ thuộc trực tiếp vào các điều kiện đảm bảo quá trình cháy nhiên liệu, trong đó yếu tố quan trọng là tỷ lệ giữa nhiên liệu và không khí cấp vào xy lanh động cơ. Chính vì vậy để tăng lượng nhiên liệu cấp vào xy lanh động cơ, người ta phải đồng thời tăng lượng không khí cần thiết để đốt cháy nó. Khối lượng riêng của không khí nạp được tính theo công thức: = (2.
Theo công thức (2.5), để tăng lượng không khí nạp, phải tăng áp suất không khí nạp ps và giảm nhiệt độ Ts. Tăng công suất động cơ Diesel bằng cách tăng áp suất khí nạp để đảm bảo hiệu suất cháy toàn bộ lượng nhiên liệu lớn hơn trên cơ sở các kích thước cơ bản của động cơ được gọi một cách đơn giản là tăng áp. Trong các động cơ tăng áp, tăng áp thường sử dụng máy nén để tăng áp suất và sinh hàn để giảm nhiệt độ không khí nạp vào động cơ. Mức độ tăng công suất của động cơ nhờ tăng áp so với chính động cơ đó trong điều kiện chưa tăng áp được đánh giá bằng hệ số λta gọi là mức độ tăng áp.6) Trong đó: Ne và là công suất có ích.2 Mục đích tăng áp trong động cơ Diesel tàu thủy Mục đích cơ bản của tăng áp cho động cơ Diesel là làm tăng công suất của nó lên nhưng đồng thời tăng áp còn cho phép cải thiện một số chỉ tiêu sau: - Tăng công suất động cơ so cùng kích cỡ và tốc độ piston, hay ngược lại giảm đáng kể kích cỡ và trọng lượng động cơ so với động cơ có cùng công suất không tăng áp.
- Giảm đáng kể tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu cụ thể trên phạm vi tải của động cơ. - Giảm chi phí động cơ ban đầu. - Tăng độ làm việc tin cậy và giảm chi phí bảo dưỡng động cơ. - Khí thải sạch hơn và tận dụng được năng lượng thất thoát từ khí xả - Nâng cao khai thác động cơ một cách linh hoạt.
- Hiệu suất của động cơ tăng, đặc biệt ở tăng áp bằng tua bin khí xả và do đó suất tiêu hao nhiên liệu giảm. - Giảm độ ồn của động cơ. Qua tham khảo và so sánh những động cơ tăng áp và không tăng áp ở cùng một hãng sản xuất ta rút ra những ưu điểm sau đây của động cơ tăng áp khi có cùng công suất: - Trọng lượng và thể tích động cơ nhỏ hơn. 9 - Nếu dùng tua bin khí xả tận dụng năng lượng khí xả dẫn động máy nén tăng áp thì hiệu suất động cơ cao hơn hẳn.
- Lượng nhiệt mất cho môi trường làm mát ít hơn, cơ cấu làm mát nhỏ hơn. - Giá thành của động cơ nhỏ hơn. - Turbine đặt trên đường khí thải nên bản thân nó là bộ phận giảm âm tốt cho động cơ. - Công suất của động cơ tăng áp bằng turbine khí xả bị giảm ít hơn khi mật độ không khí của môi trường giảm.
- Giảm lượng khí thải độc hại (NOx…). Tuy nhiên, càng nâng cao mức độ tăng áp, động cơ Diesel càng bị cường hóa nhanh về Pe sẽ làm tăng phụ tải cơ khí cũng như phụ tải nhiệt của động cơ, do đó phải đặt ra những yêu cầu càng khắt khe khi chế tạo các chi tiết của nhóm piston, các loại bạc trục, xupap, mặt qui lát… Ngoài ra còn đòi hỏi hệ thống phun nhiên liệu mới hoàn hảo hơn, vòi phun có áp suất phun cao hơn và hệ thống tăng áp turbine khí xả hoàn hảo hơn.3 Lịch sử phát triển Vào đầu những năm 1896, ý tưởng cung cấp khí nạp dưới áp lực cho một động cơ Diesel được nêu bởi không ai khác mà đó là Rudolf Diesel, người đã phát minh ra động cơ Diesel. Tuy nhiên, sử dụng một tổ hợp turbine máy nén (TB-MN) tăng áp cho mục đích trên là được thiết kế bởi Alfred Buchi, người đã sáng chế gọi nó là “hệ thống xung áp” năm 1925. Hệ thống này cấp khí xả của động cơ thông qua các ống hẹp cho turbine của tổ hợp TB-MN tăng áp, lai máy nén.
Sự thay đổi áp suất trong các ống thể tích nhỏ cho phép để cho sự trùng pha của pha 10 nạp và pha xả, cho phép quét khí của không gian nén trong xy lanh động cơ với không khí sạch. Các xy lanh đó, không làm nhiễu quá trình quét của xy lanh khác, được đưa tới một ống (khoang khí vào turbine) theo thứ tự nổ của động cơ (hình 2. Ở quá trình quét khí, khi cơ cấu nạp và xả cùng mở, không bị cản trở bởi các xung xả của xy lanh khác. Hệ thống xung áp này là nền tảng cơ bản cho sự thành công của tăng áp sau này.1: Sơ đồ thay đổi áp suất trong xy lanh Pxl: áp suất trong xy lanh px: áp suất trong ống xả pr: áp suất trong bầu gió nạp CA: góc quay trục khuỷu Vào cuối năm 1928, Alfred Buchi đã có một bài thuyết trình tại Học viện Kĩ thuật Hoàng Gia tại The Hague ở Hà Lan.
Từ bài thuyết trình này chỉ ra rằng ứng suất nhiệt của động cơ Diesel về cơ bản không tăng khi tăng áp. Cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu do hiệu suất cơ giới tốt hơn. Và một điều nhìn thấy từ so sánh động cơ 4 kỳ10 xy lanh tăng áp tác dụng đơn và động cơ 4 kỳ 6 xy lanh tác dụng kép sử dụng cho hệ động lực tàu thủy với công suất định mức 36000 Bhp, rằng động cơ tác dụng kép có nhiều ưu điểm. Cả động cơ 2 kỳ tác dụng đơn hay tác dụng kép.
Có ý tưởng cho ra rất sớm là tăng áp động cơ – lai bơm quét khí ở động cơ 2 kỳ. Tuy nhiên, hiệu suất tổ hợp TB- 11 MN tăng áp cần thiết chưa đạt được, phải mất nhiều năm sau này mục tiêu này mới đạt được. Hệ thống tăng áp này đã được hãng BBC giới thiệu ra thị trường tổ hợp TB-MN tăng áp VTR, nó có thể tăng áp cho động cơ 2 kỳ - lai bơm khí quét. Các nhà chế tạo động cơ 2 kỳ bắt đầu áp dụng khả năng này sau năm 1945.
Nhưng để loại bỏ bơm quét khí và giảm suất tiêu hao nhiên liệu, hệ thống tăng áp phải là một hệ thống xung áp. Đặc trưng này được giới thiệu thành công trên động cơ động lực tàu thủy B&W vào năm 1951. Việc sử dụng tổ hợp TB-MN tăng áp trên động cơ 2 kỳ và 4 kỳ tăng nhanh. Nhờ vào sự phát triển và cải tiến liên tục tỉ số nén của máy nén, thiết kế động cơ (áp suất cháy cho phép cao hơn) và hệ thống phun nhiên liệu tốt hơn đạt được.
Các cải tiến này và ứng dụng rộng rãi của thuộc tính nhiệt động học của chu trình Diesel dẫn tới sự phát triển của tăng áp động cơ hiện hành.1 Tăng áp động cơ Diesel 2 kỳ Theo lịch sử phát triển, tăng áp cho động cơ 2 kỳ đã trải qua nhiều giai đoạn (để đơn giản ta xét động cơ 2 kỳ quét thẳng). Động cơ 2 kỳ không tăng áp cung cấp khí bởi bơm quét. Sau đó qua nhiều lần thay đổi phát triển, tua bin máy nén tăng áp dòng VTR được sử dụng theo 2 hướng phát triển động cơ. Một hướng vẫn giữ bơm quét và một hướng bỏ bơm quét mà dùng hệ thống xung áp để thu đủ năng lượng cho turbine máy nén trong toàn bộ phạm vi tải và tốc độ của động cơ.
Bố trí điển hình của tổ hợp turbine máy nén tăng áp được minh họa trên hình 2.