ĐẶC TÍNH CÔNG TÁC CỦA DIESEL TÀU THỦY VÀ SỰ PHỐI HỢP CÔNG TÁC VỚI CHÂN VỊT pdf

KHÁI NIỆM VỀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ 1-1 Khái niệm chung: Động cơ diesel tầu thuỷ được khai thác trong các điều kiên thời tiết biển khác nhau sóng, gió, dòng chảy, v.v và

Chương I

ĐẶC TÍNH CÔNG TÁC CỦA DIESEL TÀU THỦY

VÀ SỰ PHỐI HỢP CÔNG TÁC VỚI CHÂN VỊT

1 KHÁI NIỆM VỀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ

1-1 Khái niệm chung:

Động cơ diesel tầu thuỷ được khai thác trong các điều kiên thời tiết biển khác nhau (sóng, gió, dòng chảy, v.v) và các điều kiện về bản thân con tầu khác nhau (chất lượng vỏ tầu, chủng loại hàng hoá chuyên chở, v.v), nên việc đánh giá khả năng phát ra công suất của động cơ, các thông số kỹ thuật của động cơ, độ tin cậy trong quá trinh hoạt động nhằm kéo dài tuổi thọ của động cơ và tính kinh tế của nó chính là nhiệm vụ của người sỹ quan vận hành trên tầu trong việc khai thác hệ động lực tầu thuỷ

Môn học khai thác hệ động lực tầu thuỷ còn giúp cho người học có một cái nhìn trực quan

sự hoạt động của động cơ lai chân vịt trong các điều kiện bên ngoài khác nhau

Để đánh giá việc khai thác động cơ ở những chế độ làm việc khác nhau, người ta thường so sánh giá trị của các thông số thu được ở một chế độ làm việc cụ thể với các giá trị của chúng

ở chế độ làm việc định mức Đối với động cơ điêzel trực tiếp lai chân vịt, chế độ làm việc của động cơ ở vòng quay tối thiểu ổn định là đáng quan tâm nhất vì nó thường xuyên được

sử dụng khi tầu manơ ra / vào cầu, đảm bảo sự an toàn cho con tầu

1-2: Đặc tính của động cơ điezel tầu thuỷ

Khi cho động cơ làm việc trong các điều kiện xác định khác nhau, ta sẽ thu được các thông

số của động cơ để có thể biểu diễn chúng bằng bảng hoặc dưới dạng đồ thị, và đó được gọi

là các đường đặc tính của động cơ

Đặc tính công tác của động cơ là những đường biểu diễn sự liên quan của thông số này với thông số khác trên hệ trục toạ độ Các đường đặc tính trình bày ở chương này chủ yếu được biểu diễn trên hệ trục toạ độ Ne – n (công suất động cơ/ vòng quay động cơ)

Người ta chia đặc tính của động cơ điêzel tầu thuỷ làm 3 loại như sau:

- Đặc tính công suất: biểu thị sự phụ thuộc công suất động cơ theo vòng quay trục

khuỷu

- Đặc tính phụ tải: biểu thị sự phụ thuộc các thông số phụ tải động cơ theo vòng quay

trục khuỷu

- Đặc tính tổng hợp: biểu thị sự phụ thuộc các thông số tốc độ và phụ tải theo vòng

quay trục khuỷu

2 Đặc tính và các chỉ tiêu công tác của diesel tàu thủy.

2.1 Đặc tính công suất

quay hoặc tốc độ tàu gọi là đặc tính công suất hay còn gọi là đặc tính tốc độ.

- Hàm biểu diễn: Ne = f(n)

Ne = f(v)

Trong đó: Ne- là công suất có ích của động cơ,

n- là tốc độ động cơ, v- là tốc độ tàu

- Đặc tính công suất chia thành: Đặc tính ngoài và đặc tính chân vịt

2-2 Đặc tính ngoài

số vòng quay của nó khi lượng cung cấp nhiên liệu cho mỗi chu trình là không thay đổi (dw = const) gọi là đặc tính ngoài

- Hàm biểu diễn: Ne = f(n)

Me = f(n), với dw = const

Xây dựng đặc tính ngoài:

Giả sử lượng nhiên liệu phun vào động cơ trong mỗi chu trình không đổi (dw=const) và hiệu suất chung của động cơ không đổi trong phạm vi toàn bộ chế độ tốc độ quay

(o = const) ta có:

[ml] (1)

Trong đó:

- QH : Nhiệt trị thấp của nhiên liệu sử dụng [Kcal/ kg]

- G : Lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một giờ

G = 60.n.z.dw [kg/h]

- n: tốc độ quay động cơ [v/phút]

- z: Hệ số kì, động cơ 2 kì z = 1, động cơ 4 kì z = 1/2

Thay vào (1) ta có:

(ml) (2)

3 , 632

. H o

e Q G

dw n Q

z

3 , 632

.



Với một động cơ cụ thể: z, QH không đổi, với giả thiết o = const,

Ta có thể đặt: C 1 = 60.z.Q H o / 632,3 = const

Từ (2’) ta thấy: Khi duy trì lượng cung cấp nhiên liệu cho mỗi chu trình không thay đổi (dw = const) thì công suất phát ra của động cơ tỷ lệ bậc nhất với tốc độ quay của nó

Dựng đồ thị đặc tính Me và Pe

Ta thấy rằng khi dw không đổi thì mômen quay có ích và áp suất có ích bình quân cũng không đổi, thật vậy:

Ta có: Ne = Me.n / 716,2  Me =716,2.Ne/ n

Thay Ne từ (2’) ta có: Me = 716,2.C 1 dw  Me = C 2 dw với C 2 = 716,2.C 1

Tương tự: Ne = Pe.S.F.n.i.z/ 4500  Pe = 4500.Ne/ S.F.i.z.n

Thay Ne từ (2’) ta có: Pe = (4500/S.F.i.z).C 1 dw  Pe = C 3 dw

Với C 3 = (4500/S.F.i.z).C 1

Ne

Ne2

Ne1

0 n1 n

dw 2 = const

A2

dw 1 = const

A1

i

ĐỒ THỊ ĐẶC TÍNH NGOÀI

Là đường thẳng bậc nhất có dạng như hình vẽ sau.

Hình 1.1 Biểu diễn mối quan hệ giữa công suất với vòng quay khi dw=const 0A 1 : Đặc tính ngoài khi dw 1 =const.

0A 2 : Đặc tính ngoài khi dw 2 =const.

i : Góc kẹp giữa N e và n, biểu thị lượng phun nhiên liệu hay mức độ thay đổi P e , M e khi dw thay đổi.

Đồ thị của chúng là những đường thẳng song song với trục hoành (0-n):

Hình 1-2 Biểu diễn mối quan hệ giữa Me và Pe với vòng quay khi dw=const.

I: Me, Pe đạt giá trị nhỏ nhất khi dw = dwmin

II: Me, Pe đạt giá trị định mức khi dw = dwn (lượng cung cấp nhiên liệu đạt giá trị định mức)

III: Me, Pe đạt giá trị lớn nhất khi dw = dwmax (lượng cung cấp nhiên liệu đạt giá trị lớn nhất)

3 ĐẶC TÍNH CHÂN VỊT.

3-1- Đặc tính chân vịt với động cơ lai chân vịt định bước:

Đ ặc tính chân vịt biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công tác của động cơ lai chân vịt với tốc độ quay hoặc tốc độ tàu khi lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình

là thay đổi gọi

M e = C’.n x-1

Trong đó:

x: là số mũ phụ thuộc vào kết cấu vỏ tàu và trang trí hệ động lực Với một con tàu cụ thể

x = const x=2,5 ~3,2 (x = 2,5 với tàu cao tốc như tàu lướt, tàu khách, x = 3,2 đối tàu hàng)

C, C’: là hằng số phụ thuộc tuyến hình vỏ tàu, chân vịt cũng như tình trạng của chúng và điều kiện khai thác

Me

Pe

0 n

dw= dwmin III

Xây dựng đặc tính chân vịt bằng phương pháp thực nghiệm:

Để xây dựng được đặc tính chân vịt ta phải giả định rằng lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình là thay đổi và toàn bộ công suất động cơ phát ra được truyền hết cho chân vịt Bằng thực nghiệm cho thấy rằng với đa số tàu hàng công tác độc lập (như tàu biển, tàu sông, tàu không lai kéo ) có x = 3 nên (4) được viết lại là:

M e = C’.n 3

Với một con tàu cụ thể trong một điều kiện khai thác nhất định thì C =const Nói cách khác trong đặc tính chân vịt quan hệ công suất vòng quay là quan hệ bậc ba

Hình 1-3-Biểu diễn mối quan hệ giữa N e với n khi dw=var

trong các điều kiện khai thác khác nhau.

C U : Đặc tính chân vịt thử tàu tại bến (V = 0)

C 0 : Đặc tính chân vịt trong điều kiện khai thác bình thường

C: Đặc tính chân vịt khi tàu chạy ballast

Trong thực tế khai thác, điều kiện khai thác luôn thay đổi ví dụ như khi tàu khai thác trong điều kiện sóng gió, vùng có dòng chảy, vùng biển cạn Do đó hệ số C thay đổi theo điều kiện khai thác kết quả cho ta một họ các đường đặc tính chân vịt

Ne

0 nmin n

CU

C0

C



Hình 1.4 Biểu diễn mối quan hệ giữa N e với n khi động cơ lai chân vịt biến bước.

H/D n : Đặc tính chân vịt ứng với tỷ số bước định mức (Chế độ khai thác kinh tế)

H/D max : Đặc tính chân vịt ứng với tỷ số bước lớn nhất (Chế độ khai thác khó khăn)

H/D min : Đặc tính chân vịt ứng với tỷ số bước nhỏ nhất (Chế độ khai thác thuận lợi)

Chú ý rằng khi muốn thay đổi góc cánh chân vịt, nhất thiết phải giảm tay ga nhiên liệu để động cơ làm việc ở vòng quay thấp nhất

3-2 Với động cơ lai chân vịt biến bước:

Trong thực tế công suất và mô men chân vịt tiếp nhận được phụ thuộc trước tiên vào các thông số hình học, thủy động học của chân vịt Khác với chân vịt định bước, ở chân vịt biến bước khi làm việc ta có thể thay đổi được thông số hình học bước chân vịt H (hay thông số không thứ nguyên tỷ số bước H/D) Việc thay đổi tỷ số bước H/D làm cho đặc tính chân vịt thay đổi

Ne

0 nmin n

H/D

min

H/D max H/D

n

3-3 Đặc tính phụ tải

Đặc tính phụ tải biểu diễn sự phụ thuộc của các chỉ tiêu cơ bản của động cơ vào phụ tải (N e , M e , hay P e ) khi số vòng quay không thay đổi (n = const)

Khi n = const ta có: Tổn hao cơ giới N m = A.n là hằng số, với A = Nm n /n n

Công suất có ích N e = f(P e ) là hàm bậc nhất

Công suất chỉ thị N i = N e + N m cũng là hàm bậc nhất

Đặc tính phụ tải thường sử dụng cho các loại động cơ diesel lai máy phát điện, lai bơm, máy nén hoặc các động cơ chính trong hệ động lực truyền động điện lai chân vịt Trong thực tế khai thác, đặc tính phụ tải của động cơ thường dùng ở vòng quay định mức (nn) bởi bộ điều tốc thay đổi lượng cung cấp nhiên liệu phù hợp với phụ tải bên ngoài Tuy nhiên giá trị vòng quay khai thác cũng thay đổi chút ít so với giá trị định mức

4- Truyền động giữa động cơ và chân vịt

4-1- Truyền động trực tiếp:

Thường áp dụng cho HĐL động cơ công suất lớn chậm tốc của các hãng Sulzer, Man, B&W…Buồng máy thường đặt ở phía cuối tàu, đường trục ngắn, tổn thất truyền động không đáng kể, ta có: ns = ne

Ns = Ne.tr.p

Ms = Me.tr.p

Trong đó: tr = 0,96 ~ 0,99 : Hiệu suất truyền động

p = 0,65 ~ 0,70 : Hiệu suất chân vịt, p max khi ns = 90 ~ 120 RPM

Ne

100%

0 100% Pe

Hình 1.5 Đặc tính phụ tải

Ni

Ne

Nm



m

4-2- Truyền động gián tiếp:

Thường áp dụng cho động cơ trung tốc lai chân vịt như động cơ hãng Semt-Pielstick, hay hãng Mitsubishi với loại này trên đường trục thường có li hợp, hộp giảm tốc hoặc hộp số Đặc điểm nổi bật của phương pháp truyền động này là tốc độ chân vịt ns bị thay đổi phụ thuộc vào tỷ số truyền,

ns = i.n

Ns = Ne.tr.p.lh.gt.

Ms = (1/i).Me.tr.p.lh.gt.

Trong đó: lh = 0,97 ~ 0,98 : Hiệu suất bộ li hợp

gt = 0,94 ~ 0,96 : Hiệu suất hộp giảm tốc

4-3 SỰ PHỐI HỢP CÔNG TÁC GIỮA ĐỘNG CƠ

VÀ CHÂN VỊT ĐỊNH BƯỚC.

Ngày nay truyền động trực tiếp lai chân vịt định bước được sử dụng rộng rãi bởi tính ưu việt của nó là đơn giản trong chế tạo, hiệu suất truyền động cao và ta có thể xem: ns= n

và Ns= Ne

a) Xét trường hợp điều kiện khai thác không thay

đổi.

Giả sử tàu công tác trong vùng biển yên sóng gió

tương ứng với đường đặc tính chân vịt không thay

đổi C0 Động cơ đang làm việc với đường đặc tính

ngoài (Mn = const) ứng với lượng cấp nhiên liệu định

mức (dwn = const)

Điểm phối hợp công tác sẽ là giao điểm N của đường

đặc tính chân vịt (C0)và đường đặc tính ngoài (Mn ,

hn) Tại đây mômen do động cơ sinh ra cân bằng với

mômen cản trên đế chân vịt, lực đẩy cân bằng với lực

cản, và tại N công suất động cơ là công suất định

mức Nn và vòng quay định mức nn

Tuy nhiên trong thực tế khai thác không phải lúc nào

ta cũng đạt được công suất tại điểm N Chẳng hạn:

khi động cơ đã cũ, khi một vài xylanh bị sự cố, tuabin

tăng áp bị hỏng hay khi tàu khai thác trong luồng lạch

hẹp, cạn thì ta phải thay đổi tay ga để tìm một điểm

khai thác có công suất hợp lý mà vẫn an toàn cho

động cơ

N e

Nn

NKT

0 nmin nKT nn n

C0

N

K

I

H

M n =const

Hình 1-6-Sự phối hợp công tác giữa động cơ & chân vịt khi điều kiện khai thác không thay đổi.

C 0 : Đặc tính chân vịt ứng với điều kiện khai thác yên sóng gió.

M n = const: Đặc tính ngoài ứng với tay ga định mức.

N, K, I, H: Các điểm khai thác tương ứng với các vị trí tay ga khác nhau.

Một lí do nữa mà ta thường sử dụng công suất phát ra của động cơ nhỏ hơn công suất định mức nhằm dành một phần giữ trữ để khắc phục khi phụ tải tăng đột ngột do sóng gió hoặc nhằn tăng cao tuổi thọ động cơ. Do đó điểm phối hợp công tác giữa động cơ & chân vịt thường là điểm K và ta có:

N K = e.N n

Hệ số giảm công suất e thường lấy e =(0,85 ~ 0,95)

Vậy khi điều kiện khai thác không thay đổi nếu ta thay đổi tay ga nhiên liệu thì điểm phối hợp công tác sẽ thay đổi nhưng luôn nằm trên đường đặc tính chân vịt.

b) Xét trường hợp điều kiện khai thác thay đổi.

Giả sử sức cản con tàu thay đổi do sóng gió hay tải trọng hàng hóa thay đổi tương ứng với các đặc tính chân vịt CU, C1, C0, C2, C Động cơ đang làm việc ở đặc tính khai thác MKT

= 0,9.Mn với giả thiết động cơ không có bộ điều tốc thì điểm phối hợp công tác tương ứng

sẽ là KU, K1, K0, K2, K.

Hình 1-7- Sự phối hợp công tác giữa động cơ & chân vịt

khi điều kiện khai thác thay đổi giữ nguyên tay ga.

M K = const: Đặc tính động cơ ứng với tay ga khai thác.

C U ; Đ ặc tính buộc tàu tại bến.

C 1 ; Đ ặc tính chân vịt ứng với điều kiện ngược sóng gió.

C 0 ; Đ ặc tính chân vịt ứng với điều kiện yên sóng gió

C 2 ; Đặc tính chân vịt ứng với điều kiện xuôi sóng gió.

C; Đ ặc tính chân vịt ứng với điều kiện balát.

K 0 : Các điểm công tác tương ứng với các điều kiện khai thác.

N e

NKT

0 nmin nKT n

C U C 1 C 0 C 2 C



K 0

M K =const

K



K 2

K U

K 1

Ta thấy khi điều kiện khai thác khó khăn hơn chẳng hạn điểm phối hợp công tác chuyển từ

K0 về K1 Tại K1 công suất động cơ đã giảm một lượng N = N0 - N1 dùng để khắc phục sức cản vỏ tàu Ta có:

Trong đó: 01 ,  0K là hiệu suất động cơ tại điểm K1 và K0 Nếu ta xem chúng là hằng số không đổi trong suốt dải vòng quay công tác thì:

Vậy khi điều kiện khai thác thay đổi nếu ta giữ nguyên tay ga thì điểm phối hợp công tác sẽ thay đổi trên đường đặc tính động cơ MK = const

Song phải chú ý tới điều kiện khai thác vì trong điều kiện tăng sức cản lớn có thể gây quá tải công suất còn quá nhẹ tải sẽ quá tải về vòng quay Do vậy cần khai thác động cơ ở tay ga hợp lý

K K K

n

n N N

0

01 1







K K

n

n N

1 

c) Sự phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt trong thực tế khai thác.

Trong thực tế động cơ chính tàu thủy được trang bị bộ điều tốc nhằm duy trì vòng quay ở giá trị đặt nhất định, dù phụ tải tác động lên chân vịt thay đổi, bằng việc tăng giảm nhiên liệu phù hợp tương ứng với tải bên ngoài

Hình 1-8- Phối hợp công tác giữa động cơ & chân vịt khi

động cơ trang bị BĐT nhiều chế độ.

a) Khi ĐKKT khó khăn hơn ĐT chân vịt thay đổi từ C 0 -> C 1 BĐT sẽ tăng lượng nhiên liệu và điểm khai thác thay đổi từ K 0 -> K 1 để duy trì vòng quay xung quanh giá trị n 0

b) Khi ĐKKT thuận lợi hơn ĐT chân vịt thay đổi từ C 0 -> C 2 BĐT sẽ giảm lượng nhiên liệu và điểm khai thác thay đổi từ K 0 -> K 2 để duy trì vòng quay xung quanh giá trị n 0

M 0 =const

Ne

0 nmin n1 n0 n

K 0

C 1 C 0

K 1 M 1 =const

U r

Ne

0 nmin n0 n2 n

K 2 M 2 =const

C0 C2

K 0 M 0 =const

U r

Hình 1-9- Phạm vi công tác của HĐL diesel

lai chân vịt định bước.

C U : Đặc tính chân vịt khi thử tàu tại bến.

h max : Đặc tính công suất lớn nhất của động cơ.

h n : Đặc tính công suất định mức.

hKT : Đặc tính công suất khai thác.

n max : Giới hạn vòng quay lớn nhất của động cơ.

n n : Vòng quay định mức của động cơ.

n min : Giới hạn vòng quay tối thiểu ổn định của động cơ.

Vùng 1: Giới hạn bởi n min , C U , h KT , n n , và h min Tương ứng với trường hợp động cơ hoạt động ở chế độ nhỏ tải như: khi khởi động, hay manơ trong luồng lạch hẹp, hoặc khi động cơ đã cũ.

- Vùng 2: Giới hạn bởi C U , h n , n n , h KT Đây chính là vùng thể hiện khả năng phát ra công suất tối ưu của động cơ, hiệu quả kinh tế tốt nhất Thường chỉ khai thác động cơ trong vùng (2) khi động cơ còn mới, khai thác trong điều kiện thuận lợi.

- Vùng 3: Giới hạn bởi C U , h max , n max , h n Thể hiện khả năng phát ra công suất lớn nhất của động cơ Vùng này chỉ áp dụng trong quá trình thử tàu xuất xưởng, sau sửa chữa

4-4-Khả năng mở rộng phạm vi công tác của diesel tàu thủy

a Phạm vi công tác của động cơ lai chân vịt định bước

Ne

0 nmin nn max n

CU

h max

h n

h KT

h min

1

2 3