Phân tích cấu tạo, tính năng kỹ thuật họ động cơ Diesel tàu thủy hiệu S70MC-C22, Chương 19 ppt

Chương 19: MỘT SỐ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT NỔI BẬT Ở HỌ ĐỘNG CƠ S70 MC-C 3.2.1. Hệ thống trao đổi khí. Đây là động cơ 2 kỳ sử dụng hệ thống quét thẳng qua xupáp xả, c ửa khí quét đ ặt xung quanh xilanh theo hướng tiếp tuyến xupáp xả đặ t trên nắp xilanh. Chính vì có k ết cấu như thế nên dòng khí quét chỉ đ i một chiều từ dưới lên, khí quét ít có cơ hội hòa t rộn với sản vật cháy, vì v ậy khí thải được đẩy ra ngoài tương đối sạch, nhờ đó  r nh ỏ và p e lớn (p e = 0,55- 0,65 Mpa ). Dùng xupáp thải dễ lựa chọn pha ph ối khí tốt nhất nhờ đó d ễ đạt  v l ớn. Hướng tiếp tuyến của các c ửa quét, tạo nên vận động xoáy lốc hướng tiế p tuyến của môi ch ất mới giúp hình thành hòa khí và chất lượng cháy tốt h ơ n. So v ới hệ thống quét vòng thì hệ thống quét khí thẳng này hoàn h ảo hơn nh iề u, ngoài ra ta còn có thể kết hợp với việc tăng áp cho h ệ thống khí quét bằng cách sử dụng tuabin khí tăng công suất động cơ . T ăng áp cho động cơ sử dụng phương án là tăng áp bằng tuabin khí th ải. So với các phương án tăng áp cho động cơ khác thì phương pháp này có nhi ều ưu điểm: do tăng á p tuabin khí được dẫn động nh ờ năng lượng khí thải nên không phải tiêu thụ công su ất động cơ như tăng áp cơ khí, nên có thể làm tăng tính kinh tế của động cơ, nói chung c ó thể giảm suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 3-10%, mặt khác ở thiết bị tăng áp có lắp k ét làm mát trung gian nhằm làm giảm nhiệt độ, qua đó nâng cao mật độ không khí đi v à o động cơ . T ốc độ động cơ thấp nên cải thiện quá trình nạp khí và quét khí, m ặt khác động cơ được trang bị hệ thống tăng áp phụ (môtơ điện- máy nén) nên h ạn chế tối đa ảnh h ưở ng của quét khí khi khai thác ở tốc độ và công suất nhỏ. M ột điểm đáng lưu ý ở hệ thống này là tăng áp tuabin khí còn t ạo điều kiện g iảm tiếng ồn, giảm thành phần độc hại trong khí x ả . Điểm khác biệt rõ ràng nhất của họ động cơ này mà ta có thể thấy rõ là h ệ thống đ iề u khi ển đóng và mở xupáp x ả . Không nh ư các phương pháp thường dùng là điều khiển việc đóng mở xupáp x ả bằng cam hoặc thông qua cơ cấu đũa đẩy và đòn gánh, ở đây thực hiện việc mở xup á p bằng máy nén thủy lực và đóng xupáp b ằng áp lực kh í . S ở dĩ loại động cơ này không sử dụng phương pháp kiểu thông th ường để điều kh iể n việc đóng mở xupáp là vì đây là họ động cơ có kích th ước rất lớn nếu sử dụng cam ho ặc đũa đẩy và đòn gánh thì kết c ấu của hệ thống rất cồng kềnh và phức tạp, mặt khác t rong quá trình làm vi ệc sẽ có những có những va đập và những tiếng ồn lớn trên bề mặt làm việc của các chi tiết làm g iả m tuổi thọ động cơ . Trong khi đó với việc điều khiển mở xupáp xả bằng máy nén th ủy lực kết hợp v ới việc giảm chấn cho xupáp bằng lò xo làm cho h ệ thống này hoạt động êm dịu, hệ t hống này làm việc với độ tin cậy cao, k ết cấu nhỏ gọn, đóng xupáp bằng áp lực khí quét v à khí nén giúp ta gi ảm thiểu số chi tiết của động cơ, giúp kết cấu động cơ gọn nh ẹ h ơ n, giảm thiểu được số chi tiết chế tạo. Mặt khác cấu tạo của xupáp có k ết cấu cánh khi ho ạt động dưới áp lực của khí thải làm xoay xupáp giúp tránh được hiện tượng kẹt xupáp do áp lực của khí nén và do gi ản nở nhiệt, mặt khác khi xupáp xoay sẽ hạn chế kết cốc v à muội than bám trên bề mặt làm việc của xupáp, tránh được hiện t ượng lọt khí làm g iảm áp suất cuối kỳ nén của động cơ . 3.2.2. Kết cấu buồng cháy. Họ động cơ này sử dụng buồng cháy thống nhất kết hợp với piston đỉnh lõm v à dùng 2 vòi phun đặt ở hai bên đối xứng nhau trên n ắp xilanh, vòi phun là vòi phun nh iề u lỗ kết hợp với dòng xoáy của khí quét được tạo ra do kết cấu của cửa quét và tăng á p đảm bảo nhiên li ệu được phân bố khắp không gian buồng cháy giúp quá trình cháy t ố t hơn làm tăng công suất động cơ . Ưu điểm của buồng cháy th ống nhất là P lớn ( độ tăng áp suất) do đó hi ệu qu ả    sinh công cao bên cạnh đó buồng cháy lại nhỏ gọn ít t ổn thất nh iệt . Bu ồng cháy thống nhất không có dòng xoáy mạnh của không khí, t ỉ số F lm / V c (F lm – diện tích buồng cháy, V c - thể tích buồng cháy) rất nhỏ, nên t ổn thất nhiệt ít, h iệ u suất cao, ứng suất nhiệt của nắp xilanh và đỉnh piston nh ỏ, dễ khởi động lạnh, nên h iệ u suất động cơ cao, suất tiêu hao nhiên li ệu lại t h ấ p. Tuy nhiên bu ồng cháy thống nhất có yêu cầu cao đối với hệ thống nhiên liệ u. 3.2.3. Suất tiêu hao nhiên liệu và mức độ tiêu hao dầu bôi trơn . Trong thiết kế tàu thủy các biện pháp kỹ thuật mới được đưa vào nhằm giảm g iá thành vận tải mà trong đó yếu tố kinh tế nhiên li ệu đóng vai trò quan trọng nên t rong một số tàu dùng cho vận tải nh ư tàu chở dầu, tàu hàng cỡ lớn và ngay trong một số tà u hàng bình th ường tốc độ tàu được giảm đi rất nhiều và cũng vì vậy số vòng quay động cơ dẫn động trực tiếp chân vịt tàu thủy cũng được giảm đi rất nhiều. Để bù đắp lại m ộ t phần công suất mất mát do số vòng quay gi ảm người ta có xu hướng tăng hành t r ì nh piston. Động cơ tốc độ chậm có hành trình lớn (longstroke) ban đầu có tỷ số S/D là 2,4:1 rồi siêu lớn (super-long–stroke) là 2,9:1, sau đó là 3,25:1 và cu ối cùng là cực lớ n (ultra-long-stroke) có t ỷ số lên đến 4 : 1. Với tỷ số S/D 2,2:1 phương pháp quét vòng bắt đầu gặp khó k hăn, trong khi đó quét thẳng thì ngược lại, tăng hành trình lại trở nên tốt hơn. Quét tốt và buồng cháy gọn hơn khi có hành trình S lớn s ẽ làm giảm tiêu hao nhiên liệu. Với kết quả của quá t r ì nh quét và bu ồng cháy gọn còn làm giảm tổn thất ma sát nhờ có áp suất có ích và s ố vòng quay giảm, áp suất cháy và áp suất phun cao nên ở động c ơ này hiệu suất của c ụ m tuabin-máy nén và quá trình cháy được c ải thiện rất nhiều hiệu suất có ích đạt lớn h ơ n 50%. Hình 3.3. Ảnh hưởng của tỷ số S/D đến g e , l ưu lượ ng khí m k và h ệ số dư lượng không khí. (4- t r204) Động cơ mà ta nghiên cứu thuộc họ S, đặc điểm của họ S là họ độ ng cơ có hành trình piston cực lớn tỉ số S/D # 4,0 ( ta thấy đường kính piston 700 mm trong khi đó hành trình piston lên đến 2800 mm). Ở họ S này ta thấy có ưu điểm vượt trội hơn so v ới các họ khác (ví dụ như họ L và họ K) của ManB&W là giảm tiêu hao nhiên liệu và tă ng hiệu suất có ích, điều này thỏa mãn được yêu cầu về tính kinh tế trong tình hình g iá xăng dầu cao như hiện n a y. Để thấy rõ hơn ưu điểm của họ S ta phân tích và so sánh suất tiêu hao nhiên liệ u, công suất của 3 họ S, L và K. Do họ ở đường kính 700 mm ch ỉ có họ S và họ L nên ta sẽ so sánh 3 họ S, L, K ở đườ ng kính 800 mm với 6 x ila nh. Tiêu hao dầu bôi t r ơ n Họ độ n g c ơ Tốc độ Vòng / ph ú t Công su ất k W Suất tiêu hao nh iê n liệ u g / k W . h Của hệ t hống K g / x i l a n h . 2 C ủ a x ila nh g / k W h g / H P S 76 23280 16 7 13 1,1 - 1,6 0 , 8 – 1 , 2 L 93 21840 17 1 12 0,9 – 1,4 0 , 6 5 - 1 K 10 4 21660 17 4 6 - 9 0,8 – 1,2 0 , 6 – 0 , 9 Ta thấy rằng ở cùng đường kính piston là 800 mm, nhưng khi ta t ăng hành t r ì nh S lên thì công suất động cơ tăng lên, đồng thời suất tiêu hao nhiên li ệu trên mỗi kW lại giảm xuống điều này có ý rất lớn vì công su ất của động cơ là rất lớn nếu ta làm thử ph é p tính công suất c ủa động cơ với thời gian sử dụng thì ta thấy rõ hiệu quả kinh tế mà h ọ S mang lại . Để có thể thấy rõ hơn ảnh hưởng của tỉ số S/D ta có thể so sánh thêm các động cơ của các hãng khác. Dưới đây là bảng thông số kỹ thuật các họ động cơ RTA 62U- B , RTA 68T-B, RTA 72U-B của hãng Wa r t s ila . Họ động cơ R T A 6 2 U - B R T A 6 8 T - B R T A 72 V - B S 7 0 MC - C Đư ờng k í nh x i l a n h D ( mm ) 62 0 6 8 0 72 0 7 0 0 H à n h t r ì n h S 2 1 5 27 2 2 5 0 2 80 T ỉ s ố 3 , 4 6 7 4 3 , 4 7 2 4 C ô n g s u ấ t x i l a n h N e / x i l a nh ( k 228 5 313 0 308 0 310 5 S ố vò n g qu a y ( n) 11 9 9 9 Á p s u ấ t P ( b a r ) 1 8 , 2 1 8 , 1 V ậ n t ố c p i s t o n 8 , 8 , 8 , 8 , 4 S u ấ t t i ê u h a o nh i ê n l i ệ u g e g / k 17 3 16 9 17 1 16 9 C ủ a hệ t h ố n g 7 k g / x i l a n h . 1 0 k g / x il a n h . 9 k g / x i l a n h . 1 0 kg / x il a n h . Suất tiêu th ụ dầu bôi trơn Của xilan h 0,9- 1,3 g / k W 1,1- 1,6 g / k W 0,9- 1,3 g / k W 1,1- 1,6 g / k W -Trang 80 - Ta thấy rằng khi giảm tỉ số S/D thì công suất động cơ giảm và su ất tiêu hao nh iê n liệu lại tăng lê n C ụ thể là ở họ động cơ RTA 62U-B đường kính xilanh D là 620 mm, hành trình S là 2150, t ỉ số S/D là 3,467, công suất trên mỗi xilanh là 2285 kW, nh ưng suất tiêu h a o nhiên liệu trên mỗi kW lại lên đến 173 g/kW. Trường hợp thứ hai là ở họ động cơ RT A 72U-B ta th ấy đường kính xilanh lên đến 720 mm, nhưng hành trình S ch ỉ có 2500 mm , tỉ số S/D là 3,472 và do đó công suất trên mỗi xilanh ch ỉ có 3080 kW và suất tiêu h a o nhiên liệu là 171 kW. Trong khi đó họ động cơ RTA 68T-B có đường kính xilanh là 680 mm, hành trình piston lên đến 2720, tỉ số S/D là 4, công suất trên mỗi xilanh lúc này lê n đến 3130 kW nhưng suất tiêu hao nhiên liệu chỉ có 169 g / k W . Nh ưng bên cạnh đó họ S cũng có mặt hạn chế là khi ta tăng hành trình S thì t ốc độ động cơ giảm xuống, đồng thời tiêu hao dầu bôi tr ơn cũng nhiều hơn. Điều này là tất nhiên vì khi tăng hành trình S thì th ời gian và quãng đường để piston dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD nhiều hơn, ma sát nhiều hơn và do đó mà tiêu hao dầu bôi trơn c ũng sẽ nhiều hơn, nhưng tiêu hao dầu bôi trơn tăng hơn không đáng kể, ở mức chấp nh ậ n được. Mặt khác việc tăng hành trình S c ũng làm kích thước và khối lượng của động cơ tăng đáng kể (suất kh ối lượng tăng) dẫn đến giá thành của động cơ cũng cao hơn nh iề u so v ới các họ L và K. Nhưng vì đây là động cơ tàu thủy nên việc t ăng kích thước v à khối lượng của động cơ không yêu cầu và đòi h ỏi khắt khe như động cơ lắp trên ô t ô. Còn về giá thành động cơ thì n ếu động cơ hoạt động trong thời gian dài thì giảm tiê u hao nhiên li ệu có thể bù đắp cho việc tăng giá đầu tư . Ta s ẽ so sánh thêm với động cơ của các hãng kh ác Bảng so sánh các thông số các họ động cơ của ManB&W và -Trang 81 - Wa r t s ila: Đ ộ n g c ơ Số x il a n N e G đ L B H G đ g đ = Neq đ N e L B 5 11 4 2 5 32 7 , 5 , 4 1 0 , 6 2 8 26 , 6 6 13 7 1 0 37 8 , 5 , 4 1 0 , 6 2 7 28 , 2 7 15 9 9 5 42 9 , 5 , 4 1 0 , 6 2 6 , 3 28 , 8 RT A 6 2 U - 8 18 2 8 0 47 10 , 8 5 , 4 1 0 , 6 2 5 , 7 29 , 6 5 15 6 5 0 41 8 , 2 3 5 , 9 12 , 7 4 2 5 , 3 25 , 6 6 18 7 8 0 47 9 , 4 1 5 , 9 12 , 7 4 2 5 , 1 26 , 6 7 21 9 1 0 53 1 0 , 6 5 , 9 12 , 7 4 2 4 , 3 27 , 5 RT- flex 6 8 8 25 0 4 0 59 11 , 8 5 , 9 12 , 7 4 2 3 , 7 28 , 2 R T 5 15 4 0 0 48 8 , 6 1 2 , 4 3 1 , 5 23 , 8 -Trang 82 - 6 18 4 8 0 56 9 , 9 8 6 1 2 , 4 3 0 , 6 24 , 9 7 21 5 6 0 64 1 1 , 2 7 6 1 2 , 4 2 9 , 7 25 , 7 72V- B 8 24 6 4 0 71 1 2 , 5 6 6 1 2 , 4 2 9 26 , 4 5 12 4 2 0 4 9 4 , 7 9 , 8 , 6 1 2 , 8 3 1 , 9 1 4 , 8 4 6 15 5 2 5 5 6 8 , 6 10 , 7 8 , 6 1 2 , 8 3 0 , 5 1 5 , 8 2 7 18 6 3 0 6 2 3 , 6 11 , 3 8 , 6 1 2 , 8 2 8 , 7 1 7 , 8 9 S7 0 M C - 8 24 8 4 0 7 0 4 , 4 12 , 5 8 , 6 1 2 , 8 2 8 , 4 1 8 Nhìn vào bảng so sánh ta thấy họ động cơ của hãng ManB&W n ếu cùng đ ườ ng kính xilanh và hành trình piston thì công su ất trên mỗi xilanh nhỏ hơn đồng thời su ất khối lượng l ại lớn hơn công suất của họ động cơ hãng Wa r t s ila . C ụ thể là họ động cơ RTA68T-B của hãng Wartsila có đường kính chỉ có 680 mm, hành trình S là 2720 mm, tỉ số S/D là 4. Nh ưng công suất của động cơ này là 3130 kW/xilanh tại số vòng quay là 95 vòng/phút, đồng thời suất khối lượng g đ chỉ có 24,6 kg/kW. Trong khi đó họ động cơ S70 MC-C có đường kính lên đến 700mm, hành t r ì nh S là 2800mm tỉ số S/D cũng là 4 nh ưng công suất chỉ đạt được 3105 kW/xilanh tại số vòng quay 91 vòng/phút, và su ất khối lượng lại lên đến 29,9 kg / k W . Nguyên nhân c ủa sự chênh lệch về công suất là do công su ất của động cơ phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ. Do đó tuy công suất của động cơ nhỏ hơn nh ư ng bù lại tuổi thọ của h ọ động cơ S70 MC-C sẽ cao hơn và do tốc độ thấp hơn nên quá t r ì nh quét khí sẽ được thực hiện triệt để hơn và hiệu suất của động cơ sẽ cao h ơ n. Tóm l ại tùy vào mục đích sử dụng người ta có thể lựa chọn lo ại động cơ nào t h íc h hợp nhất để trang bị cho tàu sao cho tính kinh t ế đem lại nhiều nhất và hiệu quả làm v iệc mà động cơ . Chương 19: MỘT SỐ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT NỔI BẬT Ở HỌ ĐỘNG CƠ S70 MC-C 3.2.1. Hệ thống trao đổi khí. Đây là động cơ 2 kỳ sử dụng hệ thống quét thẳng qua. thước và khối lượng của động cơ tăng đáng kể (suất kh ối lượng tăng) dẫn đến giá thành của động cơ cũng cao hơn nh iề u so v ới các họ L và K. Nhưng vì đây là động cơ tàu thủy nên việc t ăng kích. việc t ăng kích thước v à khối lượng của động cơ không yêu cầu và đòi h ỏi khắt khe như động cơ lắp trên ô t ô. Còn về giá thành động cơ thì n ếu động cơ hoạt động trong thời gian dài thì giảm tiê u