Giáo trình hệ thống động lực – ngành máy tàu thủy

Hệ thống động lực tàu thủy

Giáo trình hệ thống động lực – ngành máy tàu thủy http://www.ebook.edu.vn Trang: 1 CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CƠ SỞ THIẾT KẾ 1.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN Hệ thống động lực là một hệ thống thiết bị bao gồm thiết bị đẩy tàu, thiết bị động lực phụ bảo đảm năng lực hoạt động của tàu và thiết bị đảm bảo đời sống, sinh hoạt của thuyền viên. Tổng hợp các thiết bị trên có thể phân chia thành các hệ thống sau: 1.1.1. Hệ thiết bị đẩy tàu Hệ thiết bị đẩy tàu là một hệ thống các thiết bị có nhiệm vụ bảo đảm tốc độ, phương hướng cho tàu hoạt động, bao gồm các bộ phận sau: Động cơ chính: Nhiệm vụ của động cơ chính là tạo nên lực để đẩy tàu. Động cơ chính có thể là động cơ hơi nước, tua bin hơi, tua bin khí, diesel, động cơ piston tự do, máy phát điện và động cơ điện. Thiết bị đẩy: Thường dùng các loại thiết bị đẩy như guồng quay, chong chóng, chân vịt, thiết bị đẩy kiểu phụt . Trong các loại thiết bị đẩy, chong chóng là loại thiết bị đẩy được dùng phổ biến nhất. Thiết bị truyền động: Thiết bị truyền động có nhiệm vụ tiếp nhận công suất từ động cơ chính truyền cho thi ết bị đẩy để tạo nên lực đẩy tàu. Thiết bị truyền động thường bao gồm: hệ trục tàu thủy, bộ giảm tốc, các thiết bị nối trục, các thiết bị chuyên môn truyền dẫn điện và các thiết bị phục vụ cho thiết bị truyền động. Nồi hơi chính: Nồi hơi chính có nhiệm vụ cung cấp hơi nước làm công chất cho máy hơi, tua bin h ơi và các máy móc phụ. Thiết bị tải công chất: Nhiệm vụ của thiết bị tải công chất là tải hơi nước, khí cháy đến động cơ chính, động cơ phụ, bao gồm các hệ thống ống hơi, ống khí cháy . 1.1.2. Thiết bị phụ Thiết bị phụ có nhiệm vụ cung cấp công chất cho tàu lúc hành trình, tác nghiệp, sinh hoạt và dự trữ, bao gồm các bộ phận sau: Tổ máy phát điệ n: Có nhiệm vụ cung cấp điện cho toàn tàu, nếu hệ động lực của tàu là điện truyền động thì phải có hệ thống máy phát và động cơ điện riêng. Hệ thống khí cao áp: Nhiệm vụ của hệ thống khí cao áp là cung cấp không khí cao áp cho tàu dùng để khởi động động cơ, dùng trong công tác sửa chữa, tự động hoá…Hệ thống bao gồm máy nén khí, bình chứa không khí cao áp, đường ống dẫn không khí và các loại van giảm áp… Hệ thống nước cao áp: Dùng trong sinh hoạt, vệ sinh (và bao gồm cả hệ thống chữa cháy bằng nước cao áp). http://www.ebook.edu.vn Trang: 2 Nồi hơi phụ: Nồi hơi phụ có nhiệm vụ cung cấp hơi nước có áp suất thích hợp cho các hệ thống hâm, sấy, sưởi ấm, nước dùng trong sinh hoạt hàng ngày. Hơi nước của nồi hơi phụ không dùng làm công chất cho động cơ chính. 1.1.3. Thiết bị đảm bảo an toàn trên tàu Thiết bị đảm bảo an toàn có nhiệm vụ phòng chống những sự cố xảy ra trên tàu, đảm bảo cho tàu hoạt động được an toàn. Bao gồm những hệ thống thiết bị sau: – Hệ thống rút nước, xả nước bẩn, hệ thống dằn tàu và cân bằng tàu. – Phòng cháy và các sự cố khác, bao gồm: hệ thống không khí lạnh; hệ thống hơi xả; hệ thống phun sương; hệ thống nước phòng cháy; hơi phòng cháy; phòng cháy bằng hóa học, hệ thống khí trơ… – Thiết bị phòng ngộ độc cá nhân và tập thể. – Thiết bị sửa chữa đột xuất gồm sửa chữa trên tàu, phần dưới nước các phụ tùng và vật liệu thay thế. 1.1.4. Thiết bị sinh hoạt Là những thiết bị đảm bảo đời sống cho thuyền viên và hành khách trên tàu, bao gồm: hệ thống thông gió, sưởi ấm, vệ sinh, làm mát, làm lạnh và điều hòa không khí… 1.1.5. Thiết bị tàu Thiết bị tàu bè bao gồm thiết bị neo, lái, thiết bị chằng buộc bốc dỡ hàng, thi ết bị cứu sinh và các thiết bị quân dụng đặc biệt. Nếu xét về tính chất và nhiệm vụ của các thiết bị thì thiết bị cơ giới trên tàu thủy được phân chia thành bảy loại lớn sau: – Cơ giới động lực ( cung cấp công cho tàu) bao gồm động cơ chính, động cơ phụ, nồi hơi máy phát điện, động cơ điện. – Cơ giới công tác bao gồm thiế t bị đẩy tàu, bơm, máy nén. – Thiết bị truyền động giữa cơ giới động lực và cơ giới công tác bao gồm hệ trục, hộp số, các khớp nối, các loại dây điện, đường ống… – Thiết bị dự trữ dầu nhờn, dầu nhiên liệu, không khí và nước bao gồm các bầu lọc, bộ phận phân ly và các thiết bị lắng, lọc khác. – Thiết bị tải công chấ t bao gồm đường ống và các loại van. – Thiết bị trao đổi nhiệt bao gồm các bộ phận hâm nóng, làm mát… http://www.ebook.edu.vn Trang: 3 1.2. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ HỆ ĐỘNG LỰC 1.2.1. Chỉ tiêu kỹ thuật 1– Chỉ tiêu công suất Đây là một trong những chỉ tiêu cơ bản và quan trọng của hệ động lực, tính theo công suất định mức của động cơ chính. Chỉ tiêu công suất bao gồm: 1–1 Chỉ tiêu công suất tuyệt đối Được biểu thị bằng công suất của động cơ chính Ne, [hp hoặc kW]. 1–2 Chỉ tiêu công su ất tương đối Được biểu thị bằng độ bão hòa công suất ]/[, tonhp D Ne a = α (1–1) Trong đó: Ne – công suất định mức của động cơ chính, [hp]; D – lượng chiếm nước của tàu, [tons]. Chỉ tiêu tương đối biểu thị công suất cần thiết cho một tấn lượng chiếm nước của tàu. Ngoài hai loại chỉ tiêu trên, đôi khi chỉ tiêu công suất còn được đánh giá bằng nghịch đảo của hệ số hải quân: 3 3 2 . 1 vD Ne C = (1–2) Hoặc là: D Ne M ∑ = α (1–3) Trong đó: ΣNe – tổng công suất của các máy chính, [hp hoặc kW]. Bảng dưới đây thống kê một trị số của các chỉ tiêu công suất trên như sau: Bảng 1–1: Bảng thống kê các chỉ tiêu công suất Dạng tàu α M 1/C Tàu dầu, tàu hàng 0,1 ÷ 0,4 1/270 ÷ 1/370 Tàu hàng tổng hợp 0,3 ÷ 0,9 1/180 ÷ 1/300 Tàu container tốc độ cao 1,0 ÷ 1,5 1/220 ÷ 1/320 Tàu khách biển lớn 0,8 ÷ 1,5 1/180 ÷ 1/260 Tàu cánh ngầm 20 ÷ 60 http://www.ebook.edu.vn Trang: 4 2– Chỉ tiêu kích thước 2–1 Chỉ tiêu kích thước tuyệt đối Biểu thị các kích thước của buồng máy: chiều dài buồng máy L ER , [m]; diện tich mặt sàn buồng máy F ER , [m 2 ]; thể tích buồng máy V ER , [m 3 ]. 2–2 Chỉ tiêu kích thước tương đối Biểu thị thông qua đại lượng độ bão hòa kích thước buồng máy ]/[, mm L L e ER M = (1–4) Trong đó: L – khoảng cách giữa 2 đường vuông góc lái và mũi của tàu, [m]. Ngoài ra, chỉ tiêu tương đối còn được thể hiện thông qua các độ bão hòa sau: ]/[, mhp L Ne K ER L = (1–5.1) ]/[, 2 mhp F Ne K ER F = (1–5.2) ]/[, 3 mhp V Ne K ER V = (1–5.3) Các đại lượng độ bão hòa kể trên thể hiện khả năng tận dụng không gian buồng máy trong bố trí thiết bị và khả năng tạo công suất của hệ động lực. 3– Chỉ tiêu trọng lượng Trên tàu, trọng lượng của những phần bắt buộc phải lắp đặt càng nhỏ càng tốt, đặc biệt là trọng lượng của trang trí động lực. Để đánh giá, người ta đưa ra các chỉ tiêu như sau: 3–1 Chỉ tiêu trọng lượng tuyệt đối – G HT – Trọng lượng toàn bộ của hệ động lực khi chưa kể đến lượng dầu, nước trong máy chính và lượng dự trữ (còn gọi là trọng lượng khô của hệ động lực). – G' HT – Trọng lượng của hệ động lực khi chuẩn bị khởi động, MGG HTHT += ' (1–6) Trong đó: M – trọng lượng công chất dùng cho việc khởi động. Với hệ động lực tuabin hơi: () HTHT GG 25,115,1 ' ÷= (1–7) Với hệ động lực diesel: () HTHT GG 10,108,1 ' ÷= (1–8) http://www.ebook.edu.vn Trang: 5 – G" HT – Trọng lượng hệ động lực trước khi khởi động, có kể đến trọng lượng dự trữ: dtHTHT MGG += ''' (1–9) 3–2 Chỉ tiêu trọng lượng tương đối [%], " D G g HT ht = (1–10) ]/[, " tonhp Ne G g HT CV = (1–11) ]/[, tonhp Ne G g HT M = (1–12) Trong đó: Ne – công suất định mức của động cơ chính, [hp]; D – lượng chiếm nước của tàu, [tons]. 1.2.2. Chỉ tiêu kinh tế 1– Chỉ tiêu tuyệt đối Chỉ tiêu kinh tế tuyệt đối được đánh giá bằng các đại lượng dưới đây: – Tổng chi phí nhiệt cho hệ thống: Q HT [kCal/h] – Tổng chi phí nhiên liệu cho hệ thống: B HT [tons/h] 2– Chỉ tiêu tương đối – Chi phí nhiệt tương đối: ]./[, hhpkCal Ne Q q HT e = (1–13) – Chi phí nhiên liệu tương đối: ]./[, hhpkg Ne B g HT e = (1–14) Đôi khi chỉ tiêu kinh tế được đánh giá theo công suất của thiết bị đẩy N P , khi đó có các chỉ tiêu sau: ]./[, hhpkCal N Q q p HT p = (1–15) ]./[, hhpkg N B g p HT p = (1–16 ) http://www.ebook.edu.vn Trang: 6 1.3. PHÂN LOẠI TRANG TRÍ ĐỘNG LỰC. YÊU CẦU ĐỐI VỚI HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC TÀU THỦY 1.3.1. Phân loại trang trí động lực Việc phân loại trang trí động lực tàu thủy thường căn cứ vào động cơ chính và phương thức truyền động. Trang trí động lực tàu thủy trải qua quá trình phát triển cho tới hiện nay gồm các loại hình: – Trang trí động lực tua–bin hơi truyền động hộp số; – Trang trí động lực tua–bin hơi truyền động điện; – Trang trí động lực máy hơi nước trực tiếp truyền động; – Trang trí động lực diesel tr ực tiếp truyền động; – Trang trí động lực diesel truyền động hộp số; – Trang trí động lực diesel truyền động điện; – Trang trí động lực hỗn hợp (máy hơi và tua–bin hơi hỗn hợp, máy hơi và diesel hỗn hợp, tua–bin khí hỗn hợp); – Trang trí động lực tua–bin hơi cao áp truyền động hộp số; – Trang trí động lực tua–bin khí truyền động hộp số; – Trang trí động lực piston tự do – tua–bin khí; – Trang trí độ ng lực nguyên tử. 1.3.2. Yêu cầu đối với trang trí động lực tàu thủy Trang trí động lực là một trong những bộ phận quan trọng cấu thành hệ thống năng lượng của tàu thủy, đặc điểm và yêu cầu của trang trí động lực quyết định đặc trưng của toàn bộ con tàu. Các yêu cầu đối với trang trí động lực tàu thủy hiện đại: – Sự chuyển hóa giữa các dạng năng lượng (nhiệt năng, cơ năng, hóa năng) phải đạt được tính kinh tế cao; – Thiết bị đơn giản; – Làm việc tin cậy; – Kích thước và trọng lượng nhỏ; – Giá thành rẻ, chi phí khấu hao thấp; – Chí phí vận chuyển thấp; – Tuổi thọ hù hợp (thời gian làm việc liên tục giữa 2 lần sửa chữa lớn) Thông thường để đạt được toàn bộ các yêu cầu trên là rất khó và không thực hiện được, bởi vì một số các yêu cầu trên là mâu thuẫn lẫn nhau. Do vậy, tùy thuộ c vào mục đích thiết kế mà đạt được một số yêu cầu nhất định. Những yêu cầu trên thường được xem xét dựa trên các căn cứ dưới đây. http://www.ebook.edu.vn Trang: 7 1– Căn cứ theo đặc tính chong chóng và vỏ tàu 1–1 Yêu cầu về công suất Để xác định công suất của trang trí động lực hay công suất của động cơ chính, trước tiên phải xem xét đến sức cản của toàn tàu. Tàu hành trình trên biển, sức cản của tàu có quan hệ với hình dáng vỏ tàu, độ nhám bề mặt của vỏ, các phần nhô và phần ngâm nước của tàu, tốc độ tương đối của tàu so với dòng nước, tình hình ổn định của tàu, tình hình sóng gió trên mặt biển . Như vậy, khi xác định được giá trị của sức cản R (kG) và tốc độ tương đối của tàu v (m/s) thì công suất kéo có ích của trang trí động lực sẽ được tính như sau: ][, 75 . hp vR N R = (1–17) Chú ý: Công thức (1–17) chỉ đúng trong trường hợp nước tĩnh và gió không quá cấp 3. Công suất cần thiết cung cấp cho chong chóng được xác định: ][, hp N N R p η = (1–18) Trong đó: η – hiệu suất của chong chóng. Cũng có thể xác định công suất của chong chóng theo công thức Hải quân: ][, . 3 2 3 hp C Dv N w p = (1–19) Trong đó: D – lượng chiếm nước của tàu, [tons]; C w – hệ số Hải quân được xác định theo tàu mẫu. Công suất cần thiết (lý thuyết) của động cơ chính được xác định: ][, hp N N sp p ep η = (1–20) Trong đó: η sp – hiệu suất của đường trục. Công suất dùng cho lựa chọn động cơ chính được xác định: ][, hp N kkNN sp p epe η == (1–21) Đối với tàu thủy, công suất và tốc độ thường có quan hệ như sau: n p vAN . = http://www.ebook.edu.vn Trang: 8 n ep vBN .= (1–22) Khi tốc độ của tàu ổn định, lực đẩy của chong chóng sinh ra sẽ cân bằng với sức cản của tàu; thông thường n = 3. Nếu tốc độ tàu thấp thì n < 3, và ngược lại nếu tốc độ tàu lớn thì n > 3. Còn A, B là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào các thông số của chong chóng, tốc độ và phần ngâm nước của tàu, . Trong thực tế, mỗi động cơ và mỗi chong chóng đều có các đường biểu diễ n mối quan hệ giữa công suất và vòng quay riêng (còn gọi là các đường đặc tính). Khi thiết kế phải căn cứ vào điểm phối hợp giữa chong chóng và động cơ mà tại đó động cơ đạt được hiệu suất cao nhất. Ngoài điểm đó ra động cơ đều làm việc ở chế độ không đủ tải, mômen xoắn và áp suất có ích trung bình của động cơ không đạt trị s ố cao nhất. Động cơ có thể quá tải trong quá trình khai thác, mức độ quá tải của động cơ thường đạt trị số 110%Ne. Nếu trị số quá tải lớn hơn nữa, vòng quay của động cơ sẽ tăng lên (khoảng 5%), mômen xoắn trên trục sẽ tăng lên khá rõ rệt. Do đó, nếu tăng vòng quay của động cơ sẽ làm cho mômen xoắn của động cơ vượt quá xa trị số cho phép, ứ ng suất nhiệt và nhất là ứng suất cơ giới tăng lên rất lớn. Công suất của động cơ chính được lựa chọn phụ thuộc vào loại tàu, công dụng và lượng chiếm nước của tàu. Đặc trưng cho vấn đề này thường dùng công suất tương đối để biểu thị. Gọi α là công suất tương đối: ]/[, disp e thp D N = α (1–23) Trong đó: D – Lượng chiếm nước của tàu, [tons] 1–2 Yêu cầu về chỉ tiêu kinh tế của tàu Công dụng của tàu khác nhau thì yêu cầu về trang trí động lực cũng khác nhau. Có loại tàu chỉ yêu cầu trang trí động lực ổn định ở một phụ tải nhất định, nhưng cũng có loại tàu đòi hỏi trang trí động lực phải thay đổi ở các chế độ phụ tải khác nhau. Điều này phản ánh đó là yêu cầu về chỉ tiêu kinh tế các loại trang trí động lực có khác nhau. Trong thiết kế trang trí động lự c đòi hỏi phải đạt được chỉ tiêu kinh tế ở chế độ thiết kế, ngoài ra ở các chế độ tải khác chỉ tiêu kinh tế cũng đòi hỏi đạt được một cách tương đối. Đặc trưng cho các chỉ tiêu kinh tế của trang trí động lực chính là suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ chính và suất tiêu hao nhiệt lượng cho toàn bộ hệ thống năng lượng. Với những hệ động lực chỉ có một động cơ chính, đặc tính hiệu suất của động cơ quyết định đặc tính kinh tế của trang trí động lực. Yêu cầu một động cơ mà hiệu suất không biến đổi theo phụ tải là không thể có, đặc biệt là khi phụ tải thấp hiệu suất giảm xuống rất nhanh. Để khắc phục điều này, thông thường trong thiết kế phải s ử dụng các phương án sau: – Dùng nhiều động cơ để quay một chong chóng. – Dùng nhiều động cơ quay nhiều chong chóng. – Dùng chong chóng biến bước hoặc phương thức truyền động điện. http://www.ebook.edu.vn Trang: 9 2– Căn cứ vào năng lực làm việc độc lập (hoặc căn cứ vào trọng lượng và kích thước tàu) N ăng lực làm việc độc lập của tàu hay khả năng hoàn thành nhiệm vụ công tác của tàu được thể hiện ở tính kinh tế, trọng lượng và kích thước của tàu. Mỗi loại tàu khác nhau đều có nhiệm vụ và tính năng riêng. Tuy nhiên, các tính năng của tàu phải được dựa trên lượng chiếm nước nhất định của nó. 2–1 Yêu cầu đối với trọng lượng L ượng chiếm nước của tàu có thể chia ra làm 4 thành phần chính: trọng lượng vỏ tàu, trọng lượng trang trí động lực, trọng lượng của các thành phần dự trữ và trọng lượng của hàng hóa, hành khách. Khi đó với một lượng chiếm nước nhất định, một trọng lượng thành phần nào đó tăng lên thì các thành phần khác bắt buộc phải giảm xuống. Do vậy, trọng lượng của trang trí động lực có ả nh hưởng trực tiếp đến tính năng nhiệm vụ của tàu. Tàu có lượng chiếm nước như nhau, nhưng tốc độ hành trình khác nhau, công suất khác nhau thì trọng lượng của trang trí động lực sẽ khác nhau. Để đặc trưng cho trọng lượng của trang trí động lực người ta đưa ra khái niệm trọng lượng tương đối K 1 . Đây chính là tỷ số giữa trọng lượng trang trí động lực với lượng chiếm nước của tàu. D W K = 1 (1–24) Trong đó: W – trọng lượng của trang trí động lực, [tons]; D – lượng chiếm nước của tàu, [tons]. ][,10 3 1 tonsNgW e − = (1–25) Trong đó: g 1 – trọng lượng riêng của trang trí động lực, [kg/hp]. Có thể xác định: 3 1 3 1 1 10 10 − − == g D gN K e α (1–26) Biểu diễn dưới dạng tính theo %: [%], 1,0100 1000 111 ggK α α == (1–27) Qua thống kê cho thấy tàu có công suất tương đối α lớn thì trọng lượng tương đối của trang trí động lực K 1 cũng lớn, khi đó trọng lượng hàng và dự trữ sẽ giảm xuống. 2–2 Yêu cầu đối với kích thước của buồng máy