Chương 5: Đặc tính của động cơ Điêsel tàu thủy Đặc tính công suất Đặc tính công suất là đặc tính biểu thị sự thay đổi các thông số làm việc của động cơ theo hàm tốc độ quay hoặc tốc độ tàu, gọi là đặc tính công suất hay đặc tính tốc độ . Đặc tính công suất chia làm 2 loại: Đặc tính ngoài và đặc tính chân vịt . Đặc tính ngoài (Đặc tính công suất khi dw = const). Là đặc tính tốc độ biểu thị công suất cực đại của động cơ theo một vị trí của tay thước nhiên liệu ứng với từng chế độ tốc độ. Khi chuyển chế độ làm việc của động cơ theo đặc tính ngoài thì các ch ỉ tiêu kinh tế năng lượng, các phụ tải cơ và nhiệt cũng thay đổi khi thay đổi phụ tải b ên ngoài . Do công su ất cực đại của động cơ phụ thuộc vào việc điều chỉnh lượng nhiên liệu cực đại cung cấp cho mỗi chu trình, nên đặc tính ngoài của động cơ phụ thộc vào việc điêu chỉnh đó . 5 4 3 2 1 d c b a 3KC MOM max Ne Ne Ne min 3KC n MOM max n n n n 0 N e Hình 2.4 - Đặc tính công suất khai thác được chia ra: 0 – 1: đặc tính giới hạn: là đặc tính công suất giới hạn (Ngh) , độ bền động cơ . 0 – 2: đặc tính lớn nhất: là đặc tính công suất thể hiện (Nmax) khả năng phát ra công suất lớn nhất ở v òng quay định mức hoặc vòng quay l ớn nhất . 0 – 3: đặc tính ngoài hay đặc tính định mức. (Nn) là đặc tính thể hiện khả năng phát ra công suất lớn nhất ổn định, kinh tế nhất ứng với vòng quay định mức . 0 – 4: đặc tính khai thác: (NKT) là đặc tính công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong quá trình khai thác động cơ .Đặc tính khai thác có giá trị nhỏ hơn đặc tính định mức: Thông thường: N KT = (0,85 ÷ 0,95) N n 0 – 5: đặc tính phụ tải:Nbf là đặc tính công suất khi động cơ phát ra của động cơ nhỏ hơn công suất khai thác:N bf ≤ (0,85 ÷ 0,9) N n . Đặc tính bộ phận thường sử dụng khi tàu công tác trong nhừn điều kiện khai thác khó khăn. Đặc tính chân vịt: Đặc tính biểu thị mối quan hệ giữa các thông số làm việc của động cơ với tốc độ quay hoặc tốc độ tàu khi lượng nhi ên liệu cung cấp cho mỗi chu trình thay đổi gọi là đặc tính chân vịt. Hay sự phụ thuộc các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ vào tốc độ quay của nó khi động cơ lai chân vịt được gọi là đặc tính chân vịt . Chân vịt tiếp nhận công suất, mô men do động cơ sản ra trừ đi một phần tổn thất năng lượng khi truyền từ động cơ đến chân vịt . Để xây dựng được đặc tính chân vịt, ta phải giả định rằng lượng nhi ên liệu phun vào động cơ trong mỗi chu trình thay đổi (dw ≠ const) và toàn bộ công suất phát ra của động cơ truyền hết cho chân vịt. Khi đó sự biến đổi mômen, công suất phụ thuộc tốc độ quay được xác định theo biểu thức sau: N e = C.n x M e = C’ . n x-1 * C,C’: H ằng số phụ thuộc vào hệ động lực và kết cấu, hình dáng tàu Kết quả thực nghiệm cho thấy thì đối với những tàu công tác độc lập có giá trị x = 3 do đó mà * trở thành: N e = C.n 3 M e = C.n 2 Từ phương trình trên cho thấy với một con tàu cụ thể ở một điều kiện khai thác nhất định (C = const) th ì công suất có quan hệ bậc ba với tốc độ quay của nó . Trong thực tế khai thác điều kiện hàng hải luôn thay đổi như khi tàu hoạt động trong điều kiện sóng gió thay đổi thì hằng số C cũng thay đổi theo điều kiện khai thác. Kết quả là ta sẽ có họ các đường đặc tính chân vịt . 0 N e n N = C . n x Hình 2.5 - Biểu diễn mối quan hệ giữa công suất với tốc độ quay khi lượng nhi ên liệu cung cấp cho mỗi chu trình thay d ổi . Người ta thường lấy tốc độ quay làm biến số, đôi khi sự thay đổi của các chỉ tiêu được xây dựng phụ thuộc v ào công suất. Trong trường hợp n ày ý nghĩa của đặc tính chân vịt không thay đổi, chỉ có dạng đường cong thay đổi mà thôi, sự thay đổi các chỉ tiêu của động cơ khi làm việc với chân vịt li ên quan mật tiết với sự thay đổi của tốc độ quay. Tạo cơ sở cho việc phân tích các chế độ làm việc khi phối hợp hệ thống chân vịt – vỏ tàu với đặc tính ngoài của động cơ. Chính v ì vậy, người ta xây dựng các chỉ tiêu của động cơ phụ thuộc vào tốc độ quay n . Như vậy ở một điều kiện chạy tàu riêng biệt trạng thái của chân vịt, trạng thái của vỏ tàu tương ứng với đặc tính chân vịt của mình và cả của động cơ nữa. Mô men và công suất được chân vịt tiếp nhận, phụ thuộc trước ti ên vào các thông số hình học, thủy động học của chân vịt. Đối với chân vịt định bước các thông số h ình học giữ nguyên không thay đổi . Hệ số trượt và bước trượt tương đối của chân vịt λ p có liên quan đến số lượng của các thông số thủy động học . Hệ số trượt của chân vịt được xác định bổi tỷ số tốc độ trượt (H.n cv – V P) với tốc độ dọc trục của chân vịt trong môi trường rắn Hn s .: S = (H.n cv – V p) /H.n cv . Trong đó: N cv : Tốc độ quay của chân vịt ,v/s. V p : Tốc độ tiến của chân vịt trong nước tự do, m/s. Bước trượt tương đối của chân vịt sau một v òng quay h p = V p /n cv thường được biểu diễn bằng đại lượng không thứ nguyên c ủa bước trượt tương đối: λ p = Dn V CV P . D: Đường kính chân vịt . Hệ số trượt và bước trượt tương đối có mối quan hệ như sau: υ = 1 - DHDnH DV P cv p / 1 . Từ đây: λ p = )1( D H Khi hệ số trượt ν= 0 thì λ p = D H , chân vịt sau một vòng đi được một đoạn đường bằng bước h ình học. Trong trường hợp này l ực đẩy chân vịt bằng 0 . Hệ số trượt là điều kiện làm việc cần thiết của chân vịt, không có hệ số trượt, lực đẩy cũng sẽ không có . Lực đẩy và mô men của chân vịt liên quan mật thiết với các thông số thủy động học λ p và v và những đường cong tác dụng của chân vịt. Chúng được thể hiện bằng những hệ số lực đẩy K 1 , hệ số mômen K 2 không có thứ nguyên và hiệu suất có ích của chân vịt và bước trượt tương đối Những hệ số không thứ nguyên K 1 , K 2 được đưa vào công thức như hệ số tỷ lệ của lực đẩy và mômen chân vịt . P = K 1 . .n cv 2 .D 4 M = K 2 . . n cv 2 .D 5 Ở đây : Mật độ của nước, kg.s 2 /m 4 . Hi ệu suất có ích của chân vịt trong nước không giới hạn phụ thuôc vào tỷ số 2 1 K K . P = 2 1 K K . 2 P p K 10K 0,2 0,4 0,6 0,8 0 0,2 0,4 0,6 0,8 K K 2 1 , 1 2 d c a b p p Hình 2.6 - Đặc tính thủy động của chân vịt Ở điểm “a”, là chế độ làm việc thử tàu hoặc tàu làm việc trong vùng bão tố λ p = 0; v = 100%, các giá trị K 1 , K 2 đạt đến giá trị lớn nhất, còn hiệu suất chân vịt p = 0. Ở điểm “b” có được chế độ l àm việc định mức của chân vịt (hay chế độ kinh tế). Ở đó hệ số trượt và bước trượt tương đối đạt đến những giá trị đảm bảo cho hiệu suất chân vịt lớn nhất, còn hệ số K 1 và K 2 có giá trị nhỏ hơn giá trị cực đại của chúng . Ở điểm “c” chân vịt bắt đầu quay trong nước chân vịt l àm vi ệc với hệ số trượt v = 0 và bước trượt tương đối λ p = D H bằng với bước của lực đẩy bằng 0, chân vịt lúc này bắt đầu quay trong nước mômen và lực đẩy chưa đủ lớn để đẩy tàu. Hệ số lực đẩy K 1 = 0 và l ực đẩy chân vịt P= 0, nhưng K 2 ≠ 0. Mô men đưa vào chủ yếu để khắc phục sức cản định hình của cánh chân vịt . Ở điểm “d” hệ số trượt (v<0), bước trượt tương đối λ p , tỷ số bước D H , hệ số mô men K 2 và mô men bằng 0 . Bắt đầu từ điểm “d” chân vịt làm việc trong dòng chảy ở chế độ tuabin thủy lực đẩy âm , h ãm sự chuyển động của con tàu . Trên đoạn “cd” chân vịt bị “tê liệt “, nó không phải là thiết bị đẩy v à cũng không phải là tuabin . Chính vì nh ững đặc tính nêu trên nên khi kết cấu của chân vịt thay đổi sẽ làm cho đặc tính của chân vịt thay đổi hoặc khi thong số hình học không thứ nguyên D H thay đổi cũng làm cho đặc tính chân vịt thay đổi . Phân tích điều kiện l àm việc của chân vịt trên các vùng có hệ số trượt âm có ý nghĩa khi xem xét các chế độ không ổn định của động cơ . Để xem xét sự phụ thuộc của mômen v à công suất tiêu hao c ủa chân vịt và tốc độ quay của động cơ, cần thấy rằng, khi thay đổi trạng thái kỹ thuật của vỏ v à chân vịt thì bước trượt tương đối và hệ số trượt ở các chế độ ổn định phụ thuộc rất ít vào tốc độ quay . T ốc độ dọc trục tương đối của chân vịt với nước (tốc độ của con tàu V được điều chỉnh trên đại lượng của hệ số dòng theo = 1 - V V P ) thay đổi tỷ lệ thuận với tốc độ quay khi λ p = Dn V s P . = const (v = const) và đại lượng K 1 , K 2 không đổi đối với những giá trị khác nhau của tốc độ quay n . Do đó khi V /n cv và λ p cũng được xác định. Lực đẩy và mô men quay t ỷ lệ bậc 2 với tốc độ tàu, công suất có quan hệ bậc 3 với tốc độ tàu . . một điều kiện chạy tàu riêng biệt trạng thái của chân vịt, trạng thái của vỏ tàu tương ứng với đặc tính chân vịt của mình và cả của động cơ nữa. Mô men và công suất được chân vịt tiếp nhận, phụ. ti ên vào các thông số hình học, thủy động học của chân vịt. Đối với chân vịt định bước các thông số h ình học giữ nguyên không thay đổi . Hệ số trượt và bước trượt tương đối của chân vịt λ p. cơ sở cho việc phân tích các chế độ làm việc khi phối hợp hệ thống chân vịt – vỏ tàu với đặc tính ngoài của động cơ. Chính v ì vậy, người ta xây dựng các chỉ tiêu của động cơ phụ thuộc vào tốc