Khai thác động cơ đốt trong tàu quân sự - Chương 9 ppsx

Các giá trị cho phép của áp suất trước máy nén và của khí sau tuabin p2 để đảm bảo nhận được công suất tính toán và khai thác an toàn động cơ phụ thuộc vào dạng trạm năng lượng, các đặc

Chương 9 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN NGOÀI ĐẾN

SỰ LÀM VIỆC CỦA ĐCĐT TÀU QUÂN SỰ 9.1 Sự phụ thuộc của công suất, tính kinh tế và ứng suất của động cơ vào các

điều kiện ngoài

9.1.1 Các điều kiện ngoài

Các động cơ được thiết kế để khai thác trong các điều kiện ngoài hoàn toàn xác

định Các điều kiện ngoài được hiều là các yếu tố: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tương đối

của không khí Các yếu tố này phụ thuộc theo tiêu chuẩn của mỗi nước sản xuất động

cơ

1 Các điều kiện tiêu chuẩn của một số nước

Điều kiện tiêu chuẩn của một số nước trên thế giới áp dụng trong thiết kế động

cơ như bảng 9.1

Bảng 9.1 Các thông số môi trường ở điều kiện tiêu chuẩn của một số nước trên

thế giới Nước

sản xuất

Nhiệt độ ( 0 C)

áp suất (mmHg)

độ ẩm tương đối (%) Tiêu chuẩn

2 Áp suất không khí trước máy nén ( ) và của khí sau tuabin (p 2 )

Áp suất không khí trước máy nén và của khí sau tuabin p2 có các giá trị tuỳ thuộc vào đặc điểm kết cấu của trạm, các điều kiện khai thác hoặc các nguyên nhân riêng biệt khác

Các giá trị cho phép của áp suất trước máy nén và của khí sau tuabin p2 để đảm bảo nhận được công suất tính toán và khai thác an toàn động cơ phụ thuộc vào dạng trạm năng lượng, các đặc điểm kết cấu động cơ, các điều kiện khai thác và được lưu ý riêng trong các điều kiện kỹ thuật khi chế tạo

Chúng ta sẽ bàn cụ thể hơn về các đại lượng đặc trưng cho độ ẩm không khí Mức độ bão hoà hơi nước trong không khí được đánh giá bằng tiều chuẩn độ ẩm tương đối () - là tỷ số giữa áp suất riêng của hơi nước trong không khí với áp suất riêng bão hoà hơi nước ở nhiệt độ đã cho của không khí :

(9.3)

Hay khi = const, n = const

Ne- Công suất có ích của động cơ

Hu- Nhiệt trị thấp của nhiên liệu

Z- Số xi lanh của động cơ

K- Hệ số kỳ

n Số vòng quay của động cơ

- lượng nhiên liệu cấp cho xi lanh trong một chu trình công tác

i- Hiêụ suất chỉ thị của chu trình công tác

M- Hiệu suất cơ khí

NHX - Công suất tổn thất hành trình bơm

- Công suất tổn hao cơ giới đối với động cơ tăng áp tua bin khí xả tự do;

- Công suất tổn hao cơ giới đối với động cơ tăng áp tua bin khí xả có liên động

Khi khảo sát các phương trình trên có thể nhận xét rằng:

1 Công suất chỉ thị (Ni) chỉ phụ thuộc vào hiệu suất chỉ thị

2 Công suất có ích (Ne) ngoài hiệu suất chỉ thị còn phụ thuộc vào các đại lượng tổn thất cơ khí hay hiệu suất cơ khí (9.4)

3 Mức độ ảnh hưởng của các điều kiện ngoài đến công suất có ích qua công suất tổn thất cơ khí đối với các động cơ tăng áp tuabin khí xả tự do (CTK) và liên

động (TK) có thể khác nhau cơ bản trong nhiều trường hợp Nguyên nhân là ở chỗ các công suất tổn thất cơ khí của các động cơ với TK (9.8) và CTK (9.7) có chứa các thành phần khác nhau trong nhiều trường hợp các công suất máy nén Nk và tuabin

NT và do đó công suất tổn thất cơ khí với TK bị thay đổi rất lớn Đặc biệt là ảnh hưởng của phản áp sau tuabin, khi thay đổi công suất hành trình của bơm NHX và do

đó cả công suất tổn thất cơ khí của động cơ với CTK cũng có thể rất lớn

4 Đại lượng hiệu suất cơ khí:

(9.10)

M bị thay đổi do sự thay đổi của công suất chỉ thị lẫn công suất tổn thất cơ khí

Tóm lại có thể đưa ra những nhận xét sau đây có ích cho việc phân tích tác dụng

của các điều kiện ngoại cảnh đến công suất và tính kinh tế của động cơ:

1 Để làm sáng tỏ đặc tính thay đổi công suất có ích của động cơ khi điều kiện ngoài thay đổi, trước hết cần phân tích sự thay đổi của các yếu tố mà hiệu suất chỉ thị

và công suất chỉ thị của động cơ phụ thuộc vào chúng Như đã biết từ lý thuyết các quá trình công tác, các yếu tố này trước hết là hệ số dư lượng không khí  và sau đó là mức tăng áp suất 

r0,12 0,08 0,04

2 Các kết luận cuối cùng về sự thay đổi công suất có thể sẽ được rút ra sau khi phát hiện mức độ và dấu của sự thay đổi công suất tổn thất cơ khí, để điều đó làm được cần phải biết:

- Các thông số không khí trước và sau máy nén, các thông số khí trước và sau tuabin, các tiêu hao không khí (nhằm thiết lập sự không cân bằng công suất trong

Các tiêu chuẩn quy ướcđặc trưng cho ứng suất cơ khí là:

- Áp suất cháy cực đại PZ đặc trưng cho tải trọng tác dụng lên các chi tiết động cơ

- Tốc độ tức thời hay tốc độ trung bình tăng áp suất trong xy lanh trong thời

gian cháy Wp (đồng thời với chúng thường được sử dụng mức tăng áp suất  = ) cho phép nhận xét về động lực học của tải trọng động cơ

Các tiêu chuẩn qui ước đặc trưng ứng suất nhiệt và trạng thái nhiệt các chi tiết nhóm xy lanh -pít tông gồm:

- Nhiệt độ cực đại của pít tông và nhiệt độ pít tông trong vùng vòng găng trên cùng tPmax , tPk Đối với một số động cơ khác, thường sử dụng nhiệt độ van thải

- Dòng nhiệt qua vách xy lanh

Các chỉ tiêu nêu ở trên được xác định hoặc bằng cách đo trực tiếp trong phòng thí nghiệm hoặc nhờ tính toán theo các chỉ tiêu gián tiếp

Trong thực tế khai thác, tiêu chuẩn gián tiếp ứng suất nhiệt của động cơ thường được sử dụng là nhiệt độ khí xả trước tuabin tth

Nếu khi thay đổi các điều kiện ngoài mà hệ số dư lượng không khí khô  hay mức tăng áp suất  bị giảm thì quan sát được sự giảm của hiệu suất chỉ thị và công suất chỉ thị Khi = const thì  được xác định theo phương trình:

 = (9.11)

Hệ số dư lượng không khí  phụ thuộc nhiều nhất vào trọng lượng riêng không khí k , hệ số nạp v và tỷ số áp suất riêng không khí khô P0k với áp suất khí quyển P0

Tỷ số nói lên lượng thể tích không khí nạp của không khí khô nhỏ hơn bao nhiêu lần so với lượng không khi ẩm trong khí nạp và trong quan hệ hàm số của độ

ẩm tương đối  thì tỷ số này thay đổi càng rõ rệt khi nhiệt độ không khí môi trường càng cao (hình 9.2)

Đại lượng v phụ thuộc nhiều nhất vằơ tương quan các áp suất trong các thiết bị

trước và sau xy lanh và bị thay đổi rõ ràng nhất khi thay đổi cản áp sau tuabin P2

cơ, sự tồn tại và cường độ làm mát không khí)…

Mức độ thay đổi tương đối của hiệu suất chỉ thị theo hệ số dư lượng không khí

khô i = có thể được trình bày bởi chùm đường cong xây dựng cho các giá trị

0 = const khác nhau với gốc toạ độ là điểm ( = 1, i = 1) (hình 9.3) Trên trục tung không đặt giá trị tuyệt đối của i mà là đại lượng tương đối để cho thấy tính chất tổng quát của sự phụ thuộc được khảo sát Thực tế trong các động cơ có kết cấu khác nhau và thậm chí trong một động cơ thôi thì các giá trị tuyệt đối của i cũng không giống nhau khi các giá trị khác nhau của số vòng quay hay góc phun sớm nhiên liệu Đồng thời thực nghiệm cũng chỉ ra rằng, trong các kiểu động cơ khác nhau, kích thước và tính cao tốc khác nhau, thì mức độ thay đổi i phụ thuộc vào  gần như giống nhau nếu khi đó  giống nhau

Đặc tính thay đổi của hiệu suất chỉ thị phụ thuộc vào mức tăng áp suất : i

= được trình bày trên hình 9.4 dưới dạng chùm đường cong với điểm gốc toạ độ

là ( = 1, i = 1) ứng với các giá trị  không đổi khác nhau

Sự thay đổi  chủ yếu là do thay đổi thời gian giữ chậm sự tự cháy i , i phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất trong xy lanh ở thời điểm phun nhiên liệu, còn hai thông

số sau cùng khi = const trong mọi trường hợp tỷ lệ thuận với Tk và Pk Sự tăng

Tk và Pk dẫn đến làm giảm i và  và do vậy làm giảm hiệu suất chỉ thị

Qua phân tích trên ta thấy rằng:

- Nếu  bị giảm thì sẽ gây giảm i , Nivà cuối cùng là giảm Ne

- Sự giảm  cũng gây giảm hiệu suất chỉ thị i

- Trong nhiều trường hợp (khi nghiên

cứu ảnh hưởng của T0, 0, P0, tw) để rút ra kết

luận đúng đắn về đặc tính thay đổi Ne thì chỉ

phân tích sự thay đổi i và Ni là đủ Khi phân

tích ảnh hưởng của P0’ và P2 có thể vận dụng

nghiên cứu bổ sung về sự thay đổi của công

suất tổn thất cơ khí như hình 9.3

Về nguyên tắc, việc giảm  dẫn tới việc

tăng dòng nhiệt qua vách xy lanh, nhiệt độ pit

tông và nhiệt độ khí trước tua bin, đặc biệt là

9.1.3 C ác nguyên tắc hiệu chỉnh các đặc tính hạn chế và những đánh giá các chế

độ khai thác cho phép khi các điều kiện ngoài khác với tiêu chuẩn

Như đã thấy ở mục 9.1.2, khi các điều kiện ngoài thay đổi bất lợi và khi thanh răng bơm cao áp đã chạm đến mấu chặn (n = const) thì công suất có ích của động cơ

bị giảm từ trị số Neđm xuống N’e , còn tải trọng nhiệt của các chi tiết động cơ tăng lên Người ta thường suy đoán gián tiếp về tải trọng nhiệt lên các chi tiết động cơ trong các điều kiện khai thác dựa vào trị số nhiệt độ khí xả trước tuabin Tth , nhiệt độ này

chỉ được tăng trong giới hạn cho phép của Tth.cho phép được xác lập cho các điều kiện khí quyển định mức

Tương ứng với các yêu cầu không vượt quá t0’ = 320C,  = 0, 8 và tw = 28%, động cơ cần phải làm việc tin cậy khi thanh răng bơm cao áp ở vị trí cung cấp nhiên liệu cực đại, tức là tuổi thọ theo ứng suất nhiệt được đảm bảo Không cho phép tăng nhiệt độ khí trước tua bin đến giá trị cho phép cực đại tth.max đã cho trong hướng dẫn khai thác

Khi tiếp tục tăng nhiệt độ và độ ẩm không khí trước tuabin, nhiệt độ nước biển trước bộ làm mát không khí, hay khi giảm áp suất khí quyển, thì phải giảm tiếp công suất đến giá trị Ne’’ bằng cách giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình xuống giá trị bảo đảm duy trì các thông số giới hạn (thường là tth.max) trong các giới hạn mà nhà náy sản suất đã quy định

Vì ứng với mỗi số vòng quay có trị số tth.max xác định (hình 9.5), đặc tính hạn chế được điều chỉnh tương ứng với các điều kiện ngoài mới cần đảm bảo sự làm việc của động cơ trong toàn bộ vùng số vòng quay khi các giá trị nhiệt độ khí xả không vượt quá các giá trị giới hạn đã quy định

Các giá trị giảm công suất khi thay đổi các điều kiện ngoài cần phải cho trong hướng dẫn khai thác ở các dạng đồ thị tương tự như trên hình 9.5 hay ở dạng khác Tuy nhiên trong nhiều hướng dẫn khai thác lại không có tài liệu này trong trường hợp này, sự hiệu chỉnh các đặc tính hạn chế có thể thực hiện theo các phương pháp đã biết

Nếu động cơ có đặc tính ngoài đã được hiệu chỉnh để dẫn động chân vịt biến bước (BP?) hay máy phát điện, thì đặc tính hạn chế không chỉ là giới hạn trên về công suất cho phép khai thác, mà còn là giới hạn trên các công suất có thể đạt được

Trường hợp động cơ dẫn động chân vịt cố định bước (B?), giữa số vòng quay của trục khuỷu và thiết bị tiêu thụ công suất (chân vịt) có mối quan hệ hàm số xác định là đặc tính chân vịt Khi đó số vòng quay cho phép mới được xác định đơn giản bằng cách chiếu điểm cắt của đặc tính hạn chế mới với đặc tính chân vịt lên trục hoành (hình 9.5) Sự giảm cần thiết công suất và vòng quay và do đó cả tốc độ con tàu VS không những phụ thuộc vào các đặc điểm của động cơ mà cả vào vỏ tàu Đặc tính chân vịt càng nằm gần đặc tính hạn chế (tàu cánh ngầm, tàu có tuyến hình lướt nước) thì các đại lượng này càng lớn

9.2 ảnh hưởng của việc tăng cản áp tới các chỉ tiêu công tác của ĐCĐT

Cản áp tăng lên có thể do các nguyên nhân khác nhau như sức cản của các bình giảm âm hoặc của các ống thải dài, việc thải khí xả dưới nước, trục trặc của hệ thống thải …

Trị số cho phép của cản áp sau tua bin (hoặc sau các xy lanh của các động cơ không có tua bin) ứng với nó bảo đảm nhận được công suất yêu cầu, tính kinh tế và duy trì các thông số hạn chế trong các giới hạn đã định, là điều kiện kỹ thuật thường được nêu ra của các động cơ

Trong trường hợp bất kỳ, khi = const, việc tăng cản áp dẫn đến giảm hệ số

dư lượng khơng khí, giảm hiệu suất chỉ thị và cơng suất chỉ thị Các tổn thất cơ giới tăng lên, cơng suất cĩ ích bị giảm và suất tiêu hao nhiên liệu cĩ ích riêng phần tăng Đồng thời sẽ tăng một trong các thơng số hạn chế cơ bản như nhiệt độ khí xả sau các

xy lanh (trước tuabin), điều đĩ nhiều khi buộc phải giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình và làm giảm thêm cơng suất động cơ

Cần khẳng định rằng, mức độ ảnh hưởng của cản áp thay đổi đến các chỉ tiêu chỉ thị và cĩ ích phụ thuộc vào số kỳ của động cơ, gĩc mở các van nạp, thải (ở động

cơ 4 kỳ) và các đặc điểm kết cấu khác

9.2.1. Đối với động cơ điêden hai kỳ với máy nén thể tích và máy nén ly tâm dẫn động cơ khí

Các máy nén thể tích (rơ to) thường khơng sử dụng để tăng áp cho các động cơ

4 kỳ Vì vậy phân tích ảnh hưởng của cản áp đến các chỉ tiêu của quá trình cơng tác trong sự phụ thuộc vào kiểu máy nén sử dụng (rơ to hay li tâm) sẽ hợp lý hơn khi phân tích trên ví dụ cho động cơ 2 kỳ tăng áp cơ khí

Trên hình 9.6 trình bày sơ đồ xy lanh (3) của động cơ 2 kỳ với các ống quét khí (2) và ống thải (4) Khơng khí di đến xy lanh từ máy nén (1) cĩ liên hệ cơ khí với trục khuỷu Máy nén cĩ thể là kiểu rơ to hay li tâm, sự thay đổi cản áp sau xi lanh nhờ van tiết lưu (5)

Trong chế độ ổn định, áp suất trước xi lanh chênh lệch với áp suất sau xy lanh một giá trị p bằng sức cản thuỷ lực trong xi lanh:

Hỡnh 9.6 Sụ ủồ heọ thoỏng náp vaứ thaỷi khớ cuỷa ủoọng

cụ ủiẽden 2 kyứ taờng aựp daĩn ủoọng cụ khớ maựy neựn

ly tãm hay rõ to

Pk = Pth + P (9.13) Đại lượng P cĩ trị số thay đổi Sức cản cục bộ bất kỳ (các tổn thất thuỷ lực) trong dịng tĩnh cĩ thể mơ tả bằng phương trình Bécnuli:

P = 

 - Hệ số cản cố cục bộ

W - Tốc độ lưu động dịng khí

 - Trọng lượng riêng của khí

Xy lanh cĩ kết cấu phức tạp, nhiệt độ và áp suất trong xy lanh bị thay đổi theo gĩc quay của trục khuỷu và khơng đồng nhất ở các tiết diện khác nhau Tính gần đúng coi P là hàm của đại lượng chính W và Pk lấy ở tiết diện vào các cửa quét Khi phân tích về chất lượng cĩ thể coi P cĩ trị số thay đổi, khi đĩ thấy rằng sự thay đổi cản áp sau xy lanh Pth sẽ gây biến thiên tương tự áp suất khơng khí trước máy nén Pk (Pk

 Pth)

Pk + Pk = Pth + Pxl + Pth

Hay: Pk’ = Pk + Pth

Nếu hình dung hai động cơ như nhau với máy

nén li tâm (b) và máy nén rơ to (a) - hình 9.7, thì dễ

dàng thấy rằng, trường hợp tăng cản áp và do vậy tăng

áp suất tăng áp lên Pk  Pth , tiêu hao khơng khí ở

máy nén rơ to giảm nhiều hơn so với máy nén li tâm

Đĩ là các đặc tính của các máy nén cĩ độ dốc khác

nhau

ở hình 9.8 ta thấy rằng, trong động cơ với máy

nén li tâm (b) sẽ thấy hệ số quét khí bị giảm nhiều

hơn, điều kiện làm sạch xy lanh khí sĩt và điều kiện

nạp sẽ xấu hơn, cịn lượng khơng khí nạp thì nhỏ hơn

trong động cơ với máy nén rơ to (a) Tương tự trong

động cơ với máy nén li tâm thì hệ số dư lượng khơng

khí, hiệu suất chỉ thị, cơng suất chỉ thị và cuối cùng

Hỡnh 9.8 Ảnh hửụỷng cuỷa vieọc taờng caỷn

cơng suất cĩ ích bị giảm nhanh hơn Nhiệt độ khí xả

tăng mạnh, vì trong máy nén li tâm cĩ giới hạn làm

việc ổn định nên khi tiêu hao khơng khí giảm quá

nhiều sẽ tăng hiện tượng bơm (nếu trước đĩ động cơ

khơng nghẹt)

= Vh.k v (9.15) Chủ yếu trong động cơ 2 kỳ cĩ trang bị máy nén li tâm, việc tăng cản áp cĩ tác dụng rất xấu đến cơng suất, tính kinh tế và ứng suất nhiệt động cơ hơn so với khi cĩ máy nén rơ to Do vậy khi cản áp tăng quá giới hạn cho phép thì động cơ 2 kỳ với máy nén li tâm buộc phải giảm lượng nhiên liệu cấp cho chu trình nhiều hơn khi cĩ máy nén rơ to

Đồng thời cần thấy rằng, khi cản áp tăng thì sẽ tăng áp suất tăng áp, làm tăng áp suất cuối kỳ nén và áp suất cháy cực đại PZ

9.2 . 2 Đối với động cơ 4 kỳ tăng áp tuabin - máy nén tự do và liên động

Trong cơ chế ảnh hưởng của tăng cản áp sau tua bin P2 đến các chỉ tiêu của động

cơ tăng áp TK và CTK cĩ những sự khác nhau về nguyên tắc

pk

Hỡnh 9.7 Ảnh hửụỷng cuỷa ủoọ doỏc caực ủaởc tớnh ủeỏn mửực ủoọ

thay ủoồi lửụùng tiẽu hao khõng khớ khi thay ủoồi soỏ voứng quay

ủoọng cụ trong trửụứng hụùp taờng sửực caỷn sau maựy neựn

Nguyên nhân cơ bản cua việc giảm hệ số dư lượng không khí và hiệu suất chỉ thị

của động cơ với TK là sự tăng của tỷ số , đại lượng Pth bị tăng nhanh cùng với với sự tăng cua P2 , trong thời gian này Pk tăng chậm hơn nhiều do đặc tính của máy

nén li tâm có độ dốc thoải hơn Sự tăng dẫn đén giảm v (lúc đầu do quét khí kém, sau đó do nguyên nhân khí trong ống thải thổi ngược vào khoang tăng áp) ảnh

hưởng của sự thay đổi là lớn hơn nhiều đối với các động cơ có góc trùng điệp lớn Nguyên nhân chính của việc giảm , i và Ni với sự tăng P2 trong các động cơ với CTK là giảm trọng lượng riêng không khí k xảy ra do giảm công suất tuabin, giảm số vòng quay của tổ hợp tuabin - máy nén tự do và giảm áp suất tăng áp (xem công thức 9.15)

Sự giảm v xảy ra theo những nguyên nhân trên cũng đúng cho các động cơ với

TK, dẫn dến giảm thêm lượng không khí nạp trong chu trình (xem công thức 9.15) Chủ yếu động cơ có TK và với góc trùng điệp nhỏ thích ứng hơn cho sự làm việc trong các điều kiện cản áp tăng, ở các động cơ này k không bị giảm mà thậm chí còn hơi tăng khi tăng P2

Cần ghi nhận rằng, một trong các phương pháp có thể duy trì số vòng quay cố định của tuabin - máy nén và do đó duy trì được sự ổn định của k khi tăng P2 là sử dụng tuabin điều chỉnh được

Tăng P2 không gây ra giảm công riêng của tua bin LT và số vòng quay của nó chỉ

trong trường hợp khi tỷ số không đổi

(9.16) Tăng Pth tỷ lệ với tăng P2 có thể thực hiện được nhờ giảm tiết diện khí lưu thông của thiết bị phun nhờ xoay các cánh (hình 9.9)

Trong cả hai trường hợp đã khảo sát ở trên, sự tăng cản áp dẫn đến tăng ứng suất nhiệt động cơ, tăng tth và bắt buộc phải giảm lượng nhiên liệu cấp cho chu trình

và do đĩ giảm thêm cơng suất của động cơ

Các động cơ với tua bin máy nén tự do khơng điều chỉnh, khi tăng cản áp cần phải giảm tải cho động cơ nhiều hơn

9.3 ảnh hưởng của sự tăng độ giảm áp trước máy nén tăng áp tới các chỉ tiêu làm việc của ĐCĐT

Độ giảm áp trước máy nén là do tồn tại các thiết bị tiết lưu nào đĩ trong hệ thống nạp khí của động cơ Khi hệ số cản thuỷ lực  khơng đổi, trị số giảm áp P0 phụ thuộc vào tốc độ lưu động dịng khí và trọng lượng riêng của nĩ và do đĩ phụ thuộc vào chế

độ làm việc của động cơ

Hỡnh 9.9 Sụ ủồ ủiều chổnh thieỏt bũ phun cuỷa tua bin

thõng cửùc tieồu khi caỷn aựp taờng

Tầng caựnh daĩn hửụựng (thieỏt bũ

phun)

Tầng caựnh caựnh cõng taực