Tìm hiểu về động cơ 2 kỳ và tính toán chu trình công tác của động cơ MAN L70MCE (Công suất một xi lanh: 1890 kW; Tốc độ quay định mức: 100 vòngphút; Áp suất tăng áp: 0.35 MPa). Vẽ đồ thị công chỉ thị và so sánh sai số khi tính toán bằng lý thuyết.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG BỘ MÔN KỸ THUẬT TÀU THỦY - - BÀI TẬP LỚN THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG TÀU THỦY (TR2017) SVTH: Lý Thành Tiến MSSV: 2112432 GVHD: ThS Nguyễn Vương Chí TP Hồ Chí Minh, tháng 12, năm 2023 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG i DANH MỤC HÌNH ẢNH i BÀI SỐ 1 Tìm hiểu động .1 Mô tả động .2 Các động khác BÀI SỐ Tính tốn chu trình công tác Đồ thị công thị 15 So sánh kết tính tốn đồ thị 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO .18 DANH MỤC BẢNG Bảng So sánh loại động Bảng Số liệu cho trước động Bảng Kết tính tốn q trình nạp Bảng Kết tính tốn q trình nén Bảng Thông số nhiên liệu sử dụng cho trình cháy Bảng Kết tính tốn q trình cháy 10 Bảng Kết tính tốn q trình giãn nở 12 Bảng Kết tính tốn q trình xả khí 13 Bảng Xác định tiêu thị thơng số có ích .14 Bảng 10 Thơng số để tính giá trị đồ thị công .15 Bảng 11 Bảng số liệu để xây dựng đồ thị công thị 16 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Mặt cắt động MAN L70MCE Hình Sơ đồ cấu tạo Hình Sơ đồ hoạt động động hai kỳ quét vòng Hình Đồ thị cơng thị khai triển động hai kỳ Hình Pha phân phối khí động hai kỳ Hình Đồ thị cơng thị lý thuyết .15 i BÀI SỐ 1 Tìm hiểu động - Động cơ: MAN L70MCE - Hãng: MAN B&W - Phân loại: Động diesel kỳ, quét thẳng qua xupap, tăng áp, tốc độ thấp - Kích thước (dài x rộng x cao): 22672 x 9500 x 14035 mm - Đường kính x hành trình xilanh: 700 x 2360 mm - Công suất xi lanh: 1890 kW - Tốc độ quay định mức: 100 vòng/phút - Áp suất tăng áp: 0.35 MPa - Suất tiêu hao nhiên liệu: 174 g/kWh Hình Mặt cắt động MAN L70MCE Mô tả động 2.1 Sơ đồ cấu tạo Trục khuỷa Thanh truyền Máy nén khí Xilanh Vịi phun Xupap thải Piston Buồng khí Cửa thổi Hình Sơ đồ cấu tạo 2.2 Nguyên lý hoạt động Việc thải khí xả khỏi xilanh khơng khí nén tới áp suất định Khơng khí nén trước nhờ máy nén tăng áp Khí thải xilanh ngồi qua xupap xả nằm nắp xilanh Kỳ - nén: Đầu kỳ một, tiếp tục trình quét nạp đầy môi chất vào xilanh (đường m-c đồ thị cơng) Khơng khí rừ áp suất p0 máy nén nén đến áp suất ps để thực việc qt nạp khí Thời điểm đóng kín cửa quét cửa xả định thời điểm kết thúc q trình thay đổi mơi chất (điểm b’) Cửa quét đóng đồng thời muộn so với cửa xả Áp suất môi chất xilanh động cuối q trình thay đổi khí thường lớn áp suất khí phụ thuộc vào áp suất khí qt ps Q trình nén bắt đầu kết thúc q trình thải qt khí Trước piston đến ĐCT khoảng (10 - 30)° gqtk nhiên liệu phun vào xilanh Như vậy, kỳ một, động thực trình sau: kết thúc trình thải, qt nạp đầy mơi chất vào xilanh đầu hành trình, sau thực nén Hình Sơ đồ hoạt động động hai kỳ quét vòng Kỳ hai: Cháy giãn nở tương ứng với hành trình piston từ ĐCT đến ĐCD Trong xilanh thực trình cháy (đường c-z đồ thị cơng) bắt đầu q trình giãn nở sinh công (đường z-b) Piston mở cửa xả trước, chênh áo bên xilanh sản vật cháy bắt đầu ngồi đường ống xả, lúc áp suất bên xilanh bắt đầu giảm nhanh (đoạn b-d đồ thị công) Khi piston mở cửa quét áp suất bên xilanh xấp xỉ áp suất khí qt khơng gian cửa qt Khơng khí quét qua cửa quét vào xilanh tiếp tục đẩy sản vật cháy lại qua xupap xả ngồi nạp đầy mơi chất vào xilanh Q trình gọi q trình thay đổi mơi chất (đoạn d-m đồ thị công) Như kỳ hai, xilanh thực trình cháy nhiên liệu tỏa nhiệt, giãn nở môi chất, xả khí thải, thực phần việc quét nạp đầy môi chất 2.3 Đồ thị công thị khai triển Đồ thị công thị khai triển p = f(φ) động diesel hai kỳ cho Hình Cơng có ích động xác định diện tích md’b’czbdm với trục hồnh Cơng dương khí cơng tác xilanh kỳ cơng âm trịng kỳ Hình Đồ thị công thị khai triển động hai kỳ 2.4 Pha phân phối khí Pha phân phối khí có giá trị khác đáng kể, phụ thuộc vào sơ đồ trao đổi khí Pha phân phối khí động qt khí qua cửa xả ln đối xứng qua ĐCD, cịn qt qua xupap đối xứng không đối xứng Cửa quét thường mở từ (40 ÷ 65)° gqtk trước ĐCD, cửa xả từ (60 ÷ 70)° gqtk trước ĐCD Xupap xả thường mở góc (70 ÷ 95)° gqtk trước ĐCT, đóng lại (55 ÷ 80)° gqtk sau ĐCT Hình Pha phân phối khí động hai kỳ a) Quét vòng qua cửa; b) quét thẳng qua xupap Các động khác Dưới bảng so sánh động hãng MAN, động động kỳ, có xilanh đường kích piston nằm khoảng 700 ÷ 800 mm Bảng So sánh loại động Động 7L70MCE 7L70ME-C8 Hành trình xilanh (mm) 2360 2360 2800 2600 Tốc độ quay (vịng/phút) 100 108 91 104 Cơng suất (kW) 13.230 18.312 18.312 25.368 Thể tích (l) 11.56 11.56 13.72 14.56 Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) 174 170 169 172 7S70ME-C8 7K80ME-C9 BÀI SỐ Tính tốn chu trình cơng tác Bảng Số liệu cho trước động Thông số Giá trị Công suất Ne, kW 1890 Tốc độ quay n, v/ph 100 Áp suất tăng áp pk, MPa 0.35 Nhiệt độ môi trường T0, K 300 Áp suất môi trường p0, MPa 0.103 Hệ số khí sót γr 0.06 Tỷ số nén ε 13 Mức gia nhiệt khơng khí nạp từ vách xilanh ΔT, K 10 Tổn thất áp suất bình làm mát khơng khí Δplm, MPa Mức giảm nhiệt độ khơng khí nạp làm mát ΔTlm, K Phần hành trình piston tổn thất để quét khí ψP 0.005 135 0.07415 Chỉ số nén đa biến máy nén nk 1.7 Nhiệt độ khí sót Tr, K 750 Hệ số lượng dư khơng khí α 2.7 Đối với động hai kỳ, tăng áp, quét thẳng qua xupap, tốc độ thấp có giá trị nằm khoảng: • Hệ số khí sút r = (0.02 ữ 0.08) ã T s nộn = (11 ữ 15) ã Nhit khớ sút Tr = (700 ữ 900) K ã H s lng dư khơng khí α = (1.8 ÷ 2.7) Bảng Kết tính tốn q trình nạp Thơng số Cơng thức tính Nhiệt độ khơng khí sau máy nén Tk, K p T0 k p0 nk 1 nk 0.35 300 0.103 Nhiệt độ khơng khí trước cấu nạp Ts, K 1.7 1 1.7 Tk Tlm 496 135 Nhiệt độ khơng khí nạp cuối q trình nạp Ta, K Ts T rTr 1 r 361 10 0.06 750 0.06 Áp suất khơng khí trước cấu nạp ps, MPa pk plm 0.35 0.005 Áp suất khơng khí nạp cuối q trình nạp pa, MPa 0.95 ps 0.95 0.345 Hệ số nạp ηv Kết pa Ts 1 ps Ta r 13 0.3278 361 1 0.07415 13 0.345 393 0.06 496 361 393 0.345 0.3278 0.820 Đối với động hai kỳ, tăng áp, quét thẳng qua xupap, tốc độ thấp có giá trị nằm khoảng: • Áp suất cuối q trình nạp pa = (0.90 ữ 1.1) ps ã H s np ηv = (0.65 ÷ 0.85) Bảng Kết tính tốn q trình nén Thơng số Cơng thức tính Nhiệt dung mol đẳng tích khơng khí cv' , kJ/(mol.K) 19.26 0.0025T Nhiệt dung mol đẳng tích sản vật cháy cv" , kJ/(mol.K) 20.47 0.0036T Nhiệt dung riêng hỗn hợp khơng khí khí sót hành trình nén cv , kJ/(mol.K) Chỉ số avc bc r cv" 1 r r cv' 1 r 19.2853 0.06 cv" 2.7 1 0.06 0.06 cv' +0.002523T 2.7 1 0.06 Dựa vào phương trình dịng Chỉ số nén đa biến trung bình n1 n1 n1 Áp suất cuối trình nén pc, MPa Kết avc = 19.2853 bc = 0.002523 8.314 avc bcTa 1 n1 1 8.314 1.3646 19.2853 0.002523 393 1 13 n1 1 pa n1 0.3278 131.3646 Nhiệt độ cuối trình nén Tc, K Ta n1 1 393 131.3646 1 10.855 1001 Đối với động hai kỳ, tăng áp, quét thẳng qua xupap, tốc độ thấp có giá trị nằm khoảng: • Chỉ số nén a bin trung bỡnh n1 = (1.34 ữ 1.38) ã Áp suất cuối q trình nén pc = (4.0 ÷ 11.0) MPa • Nhiệt độ cuối q trình nén Tc = (850 ÷ 1100) K Bảng Thơng số nhiên liệu sử dụng cho q trình cháy Thơng số Giá trị C = 0.877 Khối lượng thành phần nhiên liệu, kg/(kg nhiên liệu) H = 0.120 S = 0.002 O = 0.001 Nhiệt trị thấp nhiên liệu QT, kJ/kg 42.170 Hệ số sử dụng nhiệt điểm z, ξz 0.90 Hệ số sử dụng nhiệt điểm b, ξb 0.98 Tỷ số tăng áp suất cháy λ 1.2 Nhiên liệu dùng cho động diesel thấp tc: ã C = (0.84 ữ 0.88) ã H = (0.11 ữ 0.14) ã S = (0.0001 ữ 0.05) ã O = (0.001 ữ 0.03) ã H s s dng nhit ti im z, z = (0.75 ữ 0.90) ã Hệ số sử dụng nhiệt điểm b, ξb = (0.86 ữ 0.98) ã T s tng ỏp sut cháy λ = (1.15 ÷ 1.35) Bảng Kết tính tốn q trình cháy Thơng số Cơng thức tính Lượng khơng khí thực tế cho q trình cháy L, kmol/(kg nhiên liệu) C H S O 0.21 12 32 32 Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết (hóa học) β0 Hệ số biến đổi phân tử thực tế β 2.7 0.877 0.12 0.002 0.001 0.21 12 32 32 1 8H O 32 L 0.12 0.001 1 32 1.3258 0 r 1 r 1.0227 0.06 0.06 Lượng nhiên liệu cháy điểm z, xz Hệ số biến đổi phân tử điểm z, βz Nhiệt dung riêng trung bình đẳng tích điểm z, cvz , kJ/(kmol.K) Nhiệt dung riêng trung bình đẳng tích điểm b, cvb , kJ/(kmol.K) z b 0.9 0.98 1 0 xz 1 r 1.0227 1 0.9184 0.06 m r cv" 1 r xz r cv' 1 r m 1 xz 1.0612 0.06 cv" 2.7 1 0.06 0.9184 0.06 cv' 2.7 1 0.06 1.0612 0.9184 m r cv" 11 r cv' 1 r m 1 1.0612 0.06 cv" 2.7 1 0.9184 0.06 cv' 2.7 1 0.06 1.0612 10 Kết 1.3258 1.0227 1.0214 0.9184 1.0196 19.6766 +0.002878T 19.7242 +0.002922T Nhiệt độ cháy cực đại Tz, K z QT ' cvc 8.314 r cvc" 8.314 Tc L z 1 r c pz" Tz 0.9 42170 ' cvc 8.314 1.2 r cvc" 8.314 1.2 1001 1.3258 1705.12 1.0196 1 0.06 c pz" Tz Áp suất cháy cực đại pz, MPa pc 1.2 10.855 13.026 Đối với động hai kỳ, tăng áp, quét thẳng qua xupap, tốc độ thấp có giá trị nằm khoảng: • Nhiệt độ cháy cực đại Tz = (1700 ữ 1800) K ã p sut chỏy cc đại pz = (6.0 ÷ 14.0) MPa Các thành phần khác tính cơng thức: • H O 0.12 0.001 M 32 32 1.0612 1 1 Hệ số cháy túy m L 1.3258 L0 2.7 • Mối quan hệ nhiệt dung riêng đẳng tích đẳng áp c p" cv" 8.314 11 Bảng Kết tính tốn q trình giãn nở Thơng số Cơng thức tính Tỷ số giản nở sớm ρ z Tz Tc 1.0196 1705.12 1.2 1001 Tỷ số giãn nở sau δ Chỉ số giản nở đa biến trung bình n2 13 1.4475 n2 Áp suất cuối trình giãn nở pb, MPa 1.4475 8.981 8.314 z Tz Tb QT b z z avz bzTz Tz avb bbTb Tb L 1 r 1.0196 8.314 1705.12 933.2 1.0214 42170 0.98 0.9 1.0196 cvz 1705.12 cvb 933.12 1.3258 1 0.06 1.0214 1.0214 Nhiệt độ cuối trình giãn nở Tb, K Kết 1.2746 Tz n 1 1705.12 8.9811.2746 1 933.2 pz n 13.026 8.9811.2746 0.7938 Đối với động hai kỳ, tăng áp, quét thẳng qua xupap, tốc độ thấp có giá trị nằm khoảng: • Tỷ số giản n sm = (1.2 ữ 1.6) ã Ch s giản nở đa biến trung bình n2 = (1.2 ÷ 1.3) • Nhiệt độ cuối q trình giãn nở Tb = (900 ữ 1000) K ã p sut cui quỏ trình giãn nở pb = (0.25 ÷ 0.85) MPa 12 Bảng Kết tính tốn q trình xả khí Thơng số Cơng thức tính Áp suất khí sót pr, MPa p0 pr 0.103 0.025 Nhiệt độ khí sót Tr, K Tb pb pr 0.7938 0.128 c p"' 0.128 nx 1 nx 612.5 933.2 Nhiệt dung riêng mol trung bình Kết 1.31 1.3 a 1 c p' c p" a 28.546 1.25 1 27.574 0.0025T 28.784 0.0036T 1.0227 +0.00338T 1.25 1.0227 Nhiệt độ khí cháy TT, K c p" 0Tr c p' a 1Ts c p"' a 1 c p" 1.0227 612.5 c p' 1.25 361 565.5 c p"' 1.0227 1.25 1 Đối với động hai kỳ, tăng áp, quét thẳng qua xupap, tốc độ thấp có giá trị nằm khoảng: • Tổn thất áp suất ống xả pr = (0.005 ữ 0.025) MPa ã Ch s a bin trung bỡnh nx = (1.30 ữ 1.35) ã Nhit khớ sút Tr = (550 ữ 650) K ã Hệ số quét φa = (1.25 ÷ 1.8) 13 Bảng Xác định tiêu thị thông số có ích Thơng số Cơng thức tính Kết Xác định tiêu thị Áp suất thị trung bình lý thuyết p’i, MPa Áp suất thị trùng thực tế pi, MPa Suất tiêu hao nhiên liệu thị gi, kg/(kW.giờ) Hiệu suất thị ηi pc 1 1 n2 1 1 n1 1 1 n2 n1 1.2 1.4475 1.2 1.4475 1 1.2746 1 8.9811.2746 1 10.855 13 1 1.3646 1 1.3646 13 1.569 pi' 1 P 1.569 0.95 1 0.07415 1.396 433 psv 0.345 0.827 433 LTs pi 1.3258 361 1.396 3600 3600 gi QT 0.185 42170 0.185 0.462 Xác định thơng số có ích Áp suất có ích trung bình pe, MPa pim 1.396 0.92 1.284 Suất tiêu hao nhiên liệu thị ge, kg/(kW.giờ) g i m 0.185 0.9 0.201 Hiệu suất có ích động ηe i m 0.462 0.92 0.425 Đối với động hai kỳ, tăng áp, quét thẳng qua xupap, tốc độ thấp: • Áp suất thị trùng thực tế pi = (0.8 ÷ 1.7) MPa • Suất tiêu hao nhiên liệu thị gi = (0.194 ữ 0.150) ã Hiu sut ch th i = (0.44 ữ 0.575) ã Hiu sut c gii m = (0.87 ữ 0.94) ã p sut cú ớch trung bỡnh pe = (0.75 ữ 1.7) MPa ã Sut tiêu hao nhiên liệu thị ge = (0.160 ÷ 0.205) • Hiệu suất có ích động ηe = (0.54 ÷ 0.42) 14 Đồ thị cơng thị Bảng 10 Thơng số để tính giá trị đồ thị công Thông số Ký hiệu Kết Tỷ số giãn nở sớm ρ 1.447 Tỷ số nén ε 13 Chỉ số nén đa biến trung bình n1 1.3646 Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2 1.2746 Áp suất cuối trình nén, MPa pc 10.855 Áp suất cháy cực đại, MPa pz 13.026 Áp suất cuối trình nạp, MPa pa 0.328 Áp suất cuối trình giãn nở, MPa pb 0.794 Tỷ lệ biểu đồ theo trục hoành, mm/m3 mv Vc 25 Tỷ lệ đồ theo trục tung, MPa/mm mp 0.06 Các tỷ lệ biểu đồ để xây dựng đồ thị nên theo tỷ số pz mv Vc mp Hình Đồ thị cơng thị lý thuyết 15 Bảng 11 Bảng số liệu để xây dựng đồ thị công thị V Vc V lg Vc V n1 lg Vc V Vc 0.000 0.000 1.25 0.097 1.447 n1 V n2 lg Vc p, MPa p, mm 1.000 10.855 180.92 0.132 1.356 8.005 133.42 0.161 0.219 1.656 6.553 109.22 0.205 1.5 0.176 0.240 1.739 6.242 104.04 1.75 0.243 0.332 2.146 5.058 0.301 0.411 2.575 2.5 0.398 0.543 0.477 V Vc n2 p, MPa p, mm 1.602 13.026 217.10 0.224 1.677 12.448 207.46 84.30 0.310 2.041 10.227 170.45 4.215 70.26 0.384 2.419 8.627 143.78 3.492 3.109 51.81 0.507 3.215 6.491 108.19 0.651 4.478 2.424 40.40 0.608 4.056 5.145 85.75 0.602 0.822 6.631 1.637 27.28 0.767 5.853 3.566 59.53 0.778 1.062 11.531 0.941 15.69 0.992 9.814 2.127 35.44 0.903 1.232 17.075 0.636 10.60 1.151 14.160 1.474 24.56 10 1.000 1.365 23.153 0.469 7.81 1.275 18.819 1.109 18.48 11 1.041 1.421 26.368 0.412 6.86 1.327 21.250 0.982 16.37 11.5 1.061 1.447 28.017 0.387 6.46 1.352 22.489 0.928 15.47 12 1.079 1.473 29.693 0.366 6.09 1.376 23.742 0.879 14.65 12.25 1.088 1.485 30.540 0.355 5.92 1.387 24.375 0.856 14.27 12.5 1.097 1.497 31.394 0.346 5.76 1.398 25.010 0.834 13.91 12.75 1.106 1.509 32.254 0.337 5.61 1.409 25.650 0.814 13.56 13 1.114 1.520 33.120 0.328 5.46 1.420 26.293 0.794 13.23 16 So sánh kết tính tốn đồ thị Diện tích đường cơng biểu đồ cơng thị lý thuyết Fi = 7641.62 mm2 Độ dài biểu đồ ld = 325 mm Áp suất thị trung bình pid Fi m p ld 7641.62 0.06 325 1.4107 MPa Áp suất thị trung bình thực tế pi 1.396 MPa Sai số kết tính tốn từ lý thuyết với đồ thị: 1.4107 1.396 1.396 100% 1.067% → Sai số không vượt 2% 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thạch Động đốt tàu thủy NXB ĐHQG TP.HCM, 2014 18