Chương 5 CÁC CHẾ ĐỘ SẤY NÓNG VÀ DỪNG ĐỘNG CƠ 5.1. Ý nghĩa của chế độ sấy nóng Chế độ sấy nóng là chế độ không ổn định, các thông số liên tục biến đổi theo thời gian đòi hỏi người khai thác phải hết sức chú ý. Chế độ sấy nóng có ý nghĩa: - ổn định trạng thái nhiệt của động cơ sau khi khởi động, trước khi nhận tải để tránh ứng suất đột ngột - Việc sấy nóng động cơ được đảm bảo bằng sự nâng dần nhiệt độ các chi tiết, nhiệt độ dầu bôi trơn (đến khoảng 40 0 C), nước làm mát … đảm bảo cho động cơ nhận tải mà không tăng đột ngột ứng suất cơ và nhiệt 5.2. Sự thay đổi nhịêt độ của các chi tiết và ứng suất nhiệt 5.2.1. Đặc điểm chung về sự thay đổi nhiệt độ và các ứng suất nhiệt - Sự thay đổi nhiệt độ của nắp xy lanh, ống lót xy lanh và pít tông phụ thuộc vào thời gian sấy nóng và tải trọng cuối cùng mà động cơ sau khi khởi động đạt đến, cũng như nhận các số liệu ban đầu để đánh giá các ứng suất nhiệt. Hình 5.1. chỉ ra các đường cong thay đổi của các nhiệt độ các phần bị đốt nóng nhất của nắp xy lanh, pít tông và nắp xy lanh động cơ 11? (6? 30/38) khi đưa nó tới chế độ 67% công suất toàn bộ ngay sau khi khởi động. Ta thấy rằng nhiệt độ các chi tiết tăng mạnh nhất ở 40-60 giây đầu, sự đốt nóng các chi tiết xảy ra hầu như đồng bộ. Sau đó tốc độ tăng nhiệt độ theo thời gian bị giảm, qua 5-6 phút nhiệt độ trở nên gần ổn định. - Tốc độ tăng nhiệt độ phụ thuộc vào chế độ sấy nóng đã chọn. Tải trọng mà động cơ đạt đến ngay sau khi khởi động càng lớn thì sự đốt nóng xảy ra càng mạnh, nhiệt độ bị tăng càng nhanh gần đến trị số cuối cùng, nhưng tốc độ tăng nhiệt độ càng cao. 25 0 20 0 15 0 1 2 3 t( 0 ) (ph) 5 10 15 20 Hình 5.1. Sự thay đổi nhiệt độ các phần bị đốt nóng nhất của nắp máy (1), pít tông (2) và lót xy lanh (3) phụ thuộc vào thời gian, khi đưa điêzen 11Д tới chế độ 67% công suất ngay sau khi khởi động - Mức độ ổn định cuối cùng của nhiệt độ các chi tiết nhóm xy lanh - pít tông thực tế không phụ thuộc vào thời gian sấy nóng, còn khi các điều kiện tương đương khác thì được xác định chỉ bằng công suất và số vòng quay mà động cơ đạt đến. Ví dụ: khi đưa động cơ 11? tới cùng một chế độ (N e = 67%N eđm , n = 87%n đm ) với trường hợp đầu là 60 phút và trường hợp thứ hai là ngay sau khi khởi động, nhiệt độ cuối cùng của đáy nắp xy lanh trong cả hai trường hợp được thiết lập hầu như đồng nhất (212 và 210 0 C). - Trị số ứng suất nhiệt trong vật liệu chi tiết bị đốt nóng được xác định theo công thưc: , kG/cm 2 (5.1) Trong đó: - Hệ số giãn nở dài, cm/đo; E - Mô đun đàn hồi, kG/cm 2 ; t - Độ giảm nhiệt độ giữa các vách của chi tiết bị đốt nóng, 0 C; - Hệ số Poát xông. Từ công thức 5.1 thấy rằng độ giảm nhiệt độ trên một chi tiết khi đốt nóng càng lớn thì ứng suất nhiệt trong nó càng cao. - Những chênh lệch nhiệt độ lớn, và do đó những ứng suất nhiệt cao nhất xuất hiện trong giai đoạn đầu sấy nóng. 5.2.2. Sự thay đổi nhiệt độ, ứng suất nhiệt trong các chi tiết của động cơ a. Nắp xy lanh: Các chênh lệch nhiệt độ đặc biệt cao khi sấy nóng xuất hiện trong nắp xy lanh ở vùng nối giữa van thải và vòi phun. Độ sụt nhiệt độ trong nắp xy lanh được chỉ ra trên hình 5.2 và hình 5.3. - Khi sấy nóng, trên bề mặt đáy nắp xy lanh từ phía khí cháy và từ phía làm mát có ứng suất nén, còn trong phần giữa theo chiều dày có ứng suất kéo, ở trung tâm đáy nắp - ứng suất nén, trên chu vi - ứng suất kéo. t 0 C 100 50 1 5 1 0 Hình 5.2. Độ giảm nhiệt độ theo chiều dày đáy nắp xy lanh trong vùng n ối giữa xu páp thải và vòi phun qua 10 s sau khi khởi động, khi đưa động cơ 11Д tới chế độ 67% công suất ngay sau khi khởi động Nếu không tuân theo hướng dẫn mà đưa động cơ nguội đột ngột nhận tải thì ứng suất tổng từ áp suất khí, sức căng của các gu jông nắp máy và sự thay đổi nhiệt độ có thể vượt qua các giới hạn cho phép và trong vật liệu nắp máy bị xuất hiện các vết nứt. b. Pít tông: - Mức độ nhiệt cực đại, tốc độ tăng các nhiệt độ và các ứng suất nhiệt trong pít tông nhỏ hơn trong nắp xy lanh (hình 5.4). Phần dẫn hướng của pít tông nhiệt độ tăng chậm hơn đầu pít tông bởi vì đầu pít tông chịu tác dụng trực tiếp của khí cháy, còn phần thân dẫn hướng bị đốt nóng chỉ do sự dẫn nhiệt của vật liệu. Các ứng suất nhiệt trong pít tông có giá trị lớn, nhưng đối với các pít tông chế tạo bằng hợp kim nhôm chúng không đến nỗi nguy hiểm do tính dẻo cao của vật liệu. Các vết nứt trong các pít tông ở giai đoạn sấy nóng xuất hiện sớm hơn trong các nắp máy. c. Lót xy lanh: Phần bị đốt nóng nhất của ống lót xy lanh và ở đó cũng xuất hiện độ giảm lớn nhất của nhiệt độ là phần không được làm mát phía trên của nó, trong khu vực mặt bích đỡ (hình 5.5). Khi sấy nóng, tốc độ tăng nhiệt độ và các ứng suất nhiệt trong vật liệu ống lót nhỏ hơn trong nắp xy lanh và trong pít tông. Với mục đích giảm các ứng suất nhiệt khi sấy nóng, rút ngắn thời gian sấy nóng và nâng cao độ tin cậy khởi động người ta thực hiện sấy nóng sơ bộ động cơ trước khởi động bằng cách bơm cưỡng bức qua động cơ nước nóng từ động cơ phụ đang làm việc hoặc từ bộ sấy nóng nước. Sấy nóng sơ bộ động cơ đến 45-50 0 C làm giảm ứng suất nhiệt 1,5-2 lần. t( 0 ) 10 0 50 D/2 150 100 50 0 50 100 150 D/2 Hình 5.3. Đ ộ giảm nhiệt độ trong đáy nắp xy lanh theo hư ớng kính qua 10s sau khởi động, khi đưa động cơ 11Д tới 67% công suất toàn bộ ngay sau khi khởi động l (mm) 25 50 75 t ( 0 C) Hình 5.4. Độ giảm nhiệt độ trong pít tông theo chi ều cao qua 30s sau khởi động, khi đưa động cơ 11Д tới 67% công suất tồn bộ ngay sau khi khởi động 5.3. Sự thay đỉi khe hở giữa pít tông và xi lanh Cùng với sự nâng cao nhiệt độ các chi tiết của động cơ, khi sấy nóng xảy ra sự thay đổi các kích thước độ dài của chúng, các kích thước này được xác định theo công thức: D 1 = D 2 (1 + t) (7.2) ở đây: D 1 và D 2 - Các kích thước độ dài ban đầu và cuối cùng của chi tiết khi bị đốt nóng; - Hệ số dãn nở dài, mm/độ; t – Sự thay đổi nhiệt độ khi đốt nóng, 0 C. Sự giãn nở vì nhiệt của các chi tiết dẫn đến thay đổi các khe hở giữa chúng. Những thay đổi lớn nhất trong đại lượng các khe hở là ở giữa pít tông và xy lanh. Việc sấy nóng chúng không đều và không đồng thời dẫn đến pít tông bị giãn nở nhanh hơn ống lót xy lanh, và khe hở giữa chúng giảm đi. Việc giảm lớn khe hở và không truyền đủ dầu đến các chi tiết nhóm xy lanh - pít tông khi sấy nóng có thể gây ra xây xát pít tông. Điều này xảy ra khi khởi động động cơ nguội và cho nhận tải lớn và vòng quay cao nhanh trong lúc nhiệt độ dầu bôi trơn thấp. Bởi vì dầu nguội có độ nhớt cao đến bôi trơn ống lót xy lanh, đầu nhỏ thanh truyền hay làm mát đáy pít tông với số lượng không đủ nên gây ra sự quá nóng cục bộ các phần riêng biệt của pít tông và triệt tiêu hoàn toàn khe hở. Theo mức độ sấy nóng và giãn nở của ống lót, khe hở nhận được giá trị bình thường và được ổn định. Nếu sự sấy nóng động cơ được thực hiện khi tăng dần tải trọng, thì khe hở được duy trì trong các giới hạn qui định cho phép và không gây ra các xây sát chi tiết. 5.4. Sự thay đỉi nhiưt độ dầu bôI trơn và nưíc làm mát l (mm) 10 30 50 t ( 0 C) Hình 5.4. Độ giảm nhiệt độ trong ống lót xy lanh theo chiều cao qua 30s sau khởi động, khi đưa động cơ 11Д tới 67% công suất tồn bộ ngay sau khi khởi động Khi nhiệt độ giảm độ nhớt của dầu bôi trơn tăng và việc chuyển dầu đến các bề mặt làm việc bị khó khăn. Việc cung cấp không đủ dầu có thể gây ra nóng chảy các ổ đỡ hoặc xây sát chúng. Cần phải coi việc đạt được nhiệt độ định mức của dầu bôi trơn sau khi khởi động động cơ nguội là tiêu chuẩn quan trọng nhất để xác định thời gian sấy nóng. Nếu giả sử sự ổn định của nhiệt độ dầu, vách xy lanh và nước làm mát xảy ra đồng thời thì việc xác định thời gian sấy nóng không có gì khó khăn. Nhưng sự sấy nóng dầu xảy ra chậm hơn nhiều so với sấy nóng vách xy lanh và nước làm mát. Hình 5.6 giới thiệu các đường cong thay đổi nhiệt độ của dầu và nước làm mát phụ thuộc vào thời gian sấy nóng. Sự ổn định của nhiệt độ nước làm mát đạt được qua 10 phút, còn của dầu là 1 giờ. Qui luật thay đổi nhiệt độ dầu và nước gần giống nhau đối với các kiểu động cơ khác nhau. Khả năng làm việc tin cậy của động cơ sau khởi động được đảm bảo bằng nhiệt độ cực tiểu nào đó của dầu bảo đảm cung cấp đủ dầu tới những bộ phận xa nhất. Mặc dù các giới hạn thay đổi độ nhớt trong mối phụ thuộc vào nhiệt độ của các loại dầu khác nhau thì không giống nhau song theo nguyên tắc, khi nhiệt độ thấp hơn 15-20 0 C thì xảy ra hiện tượng tăng đột ngột độ nhớt, vì vậy để rút ngắn thời gian sấy nóng động cơ cần phải sấy nóng thêm cho dầu trước khi khởi động động cơ. Sấy nóng dầu đến nhiệt độ 15-20 0 C không cho được hiệu quả cần thiết bởi vì khi đi vào két tuần hoàn vào động cơ, dầu được tiếp xúc với các bề mặt nguội và nhiệt độ dầu bị giảm nhiều. Để nhiệt độ dầu ra khỏi động cơ nằm trong giới hạn 18-20 0 C, cần phải sấy nóng trực tiếp cho dầu trong thùng chứa đến nhiệt độ 40-45 0 C. Đối với các động cơ chậm tốc hay nặng có khối lượng kim loại lớn và lượng dầu tuần hoàn cũng lớn thì thời gian sấy nóng yêu cầu phải dài hơn so với động cơ cao tốc nhẹ. 5.5. Các chế độ sấy nóng ĐCĐT tàu quân sự Chế độ sấy nóng được xác định bằng thời gian cần thiết để sấy nóng động cơ. Thời hạn sấy nóng phụ thuộc vào kiểu động cơ, trạng thái nhiệt ban đầu của nó, tải trọng hiện tại của động cơ khi sấy nóng,… Thời gian sấy nóng dao động trong giới hạn từ 2 đến 45 phút. Thời gian sấy nóng và trình tự tăng tải trọng động cơ do nhà máy chế tạo quy dịnh trên cơ sở các thử nghiệm đặc biệt. Các số liệu này ủã cho trong các hướng dẫn 10 30 50 7 0 (ph) 80 60 40 20 0 t ( 0 C) 3 2 1 Hình 5.6. S ự thay đổi nhiệt độ của dầu (1), nước vào động cơ (2) và nước ra khỏi động cơ (3) phụ thuộc vào thời gian, khi đưa động cơ 9Д tới chế độ công suất t ồn bộ sau 10 phút khai thác. Động cơ được coi là đã sấy nóng và sẵn sàng nhận tải toàn bộ khi với N e và n ổn định đã cho thì nhiệt độ nước và dầu vào và ra khỏi động cơ được nâng đến các giá trị quy định trong hướng dẫn và sau đó không thay đổi. Thời gian sấy nóng là một trong các yéu tố xác định việc con tàu sẵn sàng nhổ neo hoặc tăng hành trình đến toàn bộ. Sấy nóng có thể là bình thường hay khẩn cấp. - Khi sấy nóng bình thường, tải trọng được tăng từng cấp với việc duy trì thời gian làm việc của động cơ trên mỗi cấp tải trọng. - Khi sấy nóng khẩn cấp, thứ tự và thời gian đưa động cơ tới công suất toàn bộ được xác định trong các hướng dẫn của nhà máy chế tạo. Trong các trường hợp khẩn cấp, việc rút ngắn thời gian sấy nóng có thể đạt được bằng cách giảm thời gian từng cấp riêng biệt khi sấy nóng; bằng cách chuyển một phần nước làm mát vào khoang hút của bơm tuần hoàn ngoài động cơ, giảm lượng nước ngoài mạn. Khi đó cần phải nhớ rằng động cơ được sấy nóng càng nhanh thì ứng suất nhiệt trong đó càng cao. Nếu khi sấy nóng bình thường có đủ dự trữ bền trong các chi tiết về ứng suất, thì khi sấy nóng khẩn cấp dự trữ này bị dẫn đến cực tiểu, và việc làm sai sót nhỏ nhất so với hướng dẫn có thể dẫn đến các gãy vỡ hay hư hỏng động cơ. Chuẩn bị khẩn cấp các động cơ chính vào khởi động và sự sấy nóng khẩn cấp được thực hiện trong các trường hợp đặc biệt và chỉ theo lệnh của thuyền trưởng. Trong mỗi trường hợp sấy nóng khẩn cấp cần phải có ghi chép trong lý lịch máy. Khi thực hiện sấy nóng khẩn cấp, ngành trưởng cơ điện phải thi hành các biện pháp bổ sung để bảo đảm sự làm việc bình thường của động cơ. Dưới đây dẫn ra các số liệu về nhiệt độ cuối cùng hoặc thời gian dự định cho sấy nóng của một số động cơ điêzen tàu chiến: 1. Động cơ M -503: được coi là hoàn toàn được sấy nóng và sẵn sàng nhận tải toàn bộ, khi nhiệt độ dầu vào không thấp hơn 60 0 C còn nhiệt độ nước ra không thấp hơn 75 0 C. 2. Động cơ 40?M: thời gian dự định từ trạng thái nguội được dẫn đến công suất toàn bộ là 13 phút. 3. Động cơ 6?H 30/38: thời gian dự định đưa động cơ từ trạng thái nguội đến nhận công suất toàn bộ là 13 phút. 4. Động cơ 37?: thời gian dự định đưa động cơ từ trạng thái nguội đến nhận công suất toàn bộ là 45 phút; khi sấy nóng khẩn cấp, thời gian này có thể rút ngắn còn 25 phút. 5. Động cơ kiểu 61: trước khởi động, nước và dầu được sấy nóng sơ bộ đến nhiệt độ 40 0 C sau đó động cơ được đưa đến công suất toàn bộ sau 15 phút; trong các trường hợp khẩn cấp, thời gian sấy nóng có thể được rút ngắn còn 10 phút. 5.6. Giảm tải và dừng động cơ Dừng động cơ cũng như sấy nóng nó, là chế độ không ổn định, khi đó nhiệt độ các chi tiết, nước làm mát và dầu bôi trơn, các khe hở lắp ghép của các chi tiết và các thông số của quá trình công tác bị thay đổi. Khi cho động cơ chính trên tàu ngừng hoạt động, đầu tiên cần phải giảm đều số vòng quay đến hành trình nhỏ nhất và cho động cơ làm việc ở chế độ này 5-8 phút, và sau đó dừng máy. Các động cơ cao tốc có khớp trục đảo chiều được dừng ở hành trình chạy không tải khi tách khớp trục đảo chiều. Dừng đột ngột động cơ đang làm việc gần hay ở công suất toàn bộ, gây ra đốt nóng các chi tiết nhóm xylanh - pít tông do ngừng tuần hoàn dầu và nước. Các ứng suất nhiệt cao xuất hiện do các chi tiết nguội đi không đồng đều. Vào giai đoạn đầu tiên sau khi dừng điêzen, ứng suất sẽ đạt cực đại, bởi vì chính trong thời kỳ này tốc độ giảm nhiệt độ của các bề mặt bị đốt nóng sẽ lớn nhất. Các ứng suất nhiệt độ cao khi dừng đột ngột động cơ có thể là nguyên nhân xuất hiện các vết nứt trong các pít tông và nắp xylanh. Ngoài ra sau khi dừng đột ngột, nhiệt độ các bề mặt nóng nhất của nắp máy, pít tông và ống xy lanh bắt đầu giảm, còn nhiệt độ các bề mặt được làm mát khi làm việc khi đó sẽ bị tăng lên do ngừng được nước làm mát. Điều này gây nên hiện tượng tạo keo cốc của dầu trong các rãnh xéc măng, trong các khoang trong của pít tông được làm mát và trên bề mặt làm việc của xylanh. Để giảm các ứng suất nhiệt xuất hiện khi dừng đột ngột động cơ nóng và ngăn ngừa sự tạo keo cốc dầu, sau khi dừng phải bơm sục dầu cho động cơ trong khoảng 4 5 phút đồng thời quay trục khuỷu bằng thiết bị quay trục. . Sấy nóng sơ bộ động cơ đến 4 5- 5 0 0 C làm giảm ứng suất nhiệt 1, 5- 2 lần. t( 0 ) 10 0 50 D/2 150 100 50 0 50 100 150 D/2 Hình 5. 3. Đ ộ giảm nhiệt độ trong đáy nắp xy lanh theo hư ớng. khởi động người ta thực hiện sấy nóng sơ bộ động cơ trước khởi động bằng cách bơm cưỡng bức qua động cơ nước nóng từ động cơ phụ đang làm việc hoặc từ bộ sấy nóng nước. Sấy nóng sơ bộ động cơ. cho động cơ chính trên tàu ngừng hoạt động, đầu tiên cần phải giảm đều số vòng quay đến hành trình nhỏ nhất và cho động cơ làm việc ở chế độ này 5- 8 phút, và sau đó dừng máy. Các động cơ cao