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